Voyager II型機器人聲控系統的設計

摘要： 機器人聲控系統的研究一直是機器人研究的主要內容之一。傳統的以PC 機為核心的聲控系統由于體積大、功耗大和成本高等原因， 不適合于中小型機器人使用。本文給出了一種基于SPCE061A 的Voyager II 型機器人聲控系統的設計方案。

　　主要介紹了聲控系統的軟、硬件實(shí)現方法。和傳統的聲控系統相比，本系統具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。既可以作為機器人的聲控系統，也可以作為實(shí)驗教學(xué)平臺供學(xué)生使用。

　　1 引言

　　機器人聲控系統的研究一直是機器人研究的主要內容之一。傳統的聲音控制系統一般采用PC 機作為核心平臺對機器人進(jìn)行控制，雖然其具有處理能力強大、語(yǔ)音庫完備、系統更新能力強等優(yōu)點(diǎn)，但是PC 機體積大，功耗大，成本高，不適合于中、小型機器人使用。本文以SPCE061A 為核心，設計了一套機器人聲控系統，和傳統的PC 機聲控系統相比較，具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。

　　本系統采用的機器人平臺是北京博創(chuàng )興盛機器人技術(shù)有限公司提供的Voyager II 型地面移動(dòng)機器人， 該機器人采用了模塊化的設計理念，高負載能力的直流伺服控制，可選配聲納、紅外、視覺(jué)、羅盤(pán)、GPS 等傳感器和機械手等執行器。完全可以滿(mǎn)足聲控系統的設計要求。系統的整體設計分為硬件設計和軟件設計兩部分，下面首先介紹一下系統的硬件設計。

　　2 系統硬件結構

　　根據機器人平臺情況， 聲控系統的硬件結構主要由微處理器單元、供電單元、聲音采集單元和串口輸出單元四部分組成，如圖1 所示：

　　2.1 微處理器單元

　　本系統采用凌陽(yáng)公司的16 位單片機SPCE061A 作為核心控制芯片，內置32K 閃存，其較高的處理速度能使芯片非?？焖俚奶幚韽碗s的數字信號， 適用于語(yǔ)音識別等應用領(lǐng)域。

　　SPCF061A 的工作頻率范圍為0.32-49.152MHz.具備8 通道10位ADC 輸入功能， 內置了具有自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)輸入功能。雙通道10 位DAC 音頻輸出功能及A、B 兩個(gè)I/ 0 口輸入輸出功能。具有集成度高、性能可靠、價(jià)格低廉、功耗小等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)充分體現了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。目前，凌陽(yáng)單片機SPCE061A 的應用越來(lái)越廣，深受廣大用戶(hù)的歡迎。

　　2.2 聲音采集單元

　　聲音采集單元的換能器采用駐極體話(huà)筒， 通過(guò)話(huà)筒將采集到的聲音信號通過(guò)MIC_IN 通道傳送給CPU,MIC_IN 通道專(zhuān)門(mén)用于對語(yǔ)音信號進(jìn)行采樣。語(yǔ)音信號經(jīng)MIC 轉換成電信號，由電容將其中的直流成分濾除， 然后輸入到集成在SPCE061A 內部的前置放大器中。SPCE061A 的內部增益控制電路AGC 能隨時(shí)跟蹤、監視前置放大器輸出的音頻信號的電平，當輸入信號過(guò)大時(shí)，自動(dòng)減小放大器增益；當輸入信號減小時(shí)，自動(dòng)增大放大器增益。這樣即可以使A/D 轉換器接收到的信號一直保持在最佳電平，又可以使聲音損失減至最少，從而提高語(yǔ)音識別的精度。

2.3 外接供電單元

　　外接供電單元是聲控系統的選配單元， 由于聲控系統的能耗很低，可以外接3 個(gè)1.5V 電池，作為外接供電單元給系統供電。在沒(méi)有選配外接供電單元時(shí)，也可以直接使用Voyager II 型地面移動(dòng)機器人的蓄電池為關(guān)濟實(shí)： 講師工學(xué)碩士聲控系統供電，Voyager II 型機器人的蓄電池供電電壓為24V, 將24V 電壓先經(jīng)過(guò)7805 轉換成5V電壓， 然后使用SPY0029 將5V 電壓轉換成3.3V 電壓給SPCE061A 供電。

　　2.4 存儲器單元

　　存儲器單元也是聲控系統的選配單元， 當需要識別的語(yǔ)音資源較少時(shí)，則使用單片機中集成的FLASH 存儲器，就可以滿(mǎn)足要求。當語(yǔ)音資源較豐富時(shí)，就需要連接外部存儲器單元，對語(yǔ)音資源進(jìn)行存儲。為了保證系統的兼容性， 選用凌陽(yáng)公司的SPR4096 作為外部存儲器， LASHSPR4096 內部有512K×8bits F和4K×8bits SRAM 在進(jìn)行FLASH 編程或擦除的時(shí)候，可以并發(fā)執行SRAM 的讀寫(xiě)，SPR4096 內置了一個(gè)總線(xiàn)存儲器接口和一個(gè)串行接口，它允許單片機通過(guò)8_bit 并行模式或者1_bit 串行模式訪(fǎng)問(wèn)FLASH SDRAM 的存儲區。在本系統中，將SPR4096的SCK 和SDA 與SPCE061A 的IOB0 和IOB1 連接， 構成串行數據通信。

　　2.5 串口輸出單元

　　由于SPCE061A 單片機的輸入、輸出電平是TTL 電平，而Voyager II 型機器人配置的是RS-232 標準串行接口，二者的電氣規范不一致。因此，要完成SPCE061A 和機器人之間的串行通信，必須對SPCE061A 輸出的TTL 電平進(jìn)行電平轉換，本系統中使用MAXIM 公司的MAX232 作為電平轉換芯片。MAX232 使用單電源供電， 只需外接5 個(gè)0.1uF 的電容， 就可以實(shí)現SPCE061A 和Voyager II 型機器人之間的電平轉換。

　　3 系統軟件設計

　　軟件設計中最重要的部分就是編寫(xiě)語(yǔ)音識別程序。語(yǔ)音識別過(guò)程本質(zhì)上是一種多維模式識別過(guò)程。針對凌陽(yáng)單片機編寫(xiě)語(yǔ)音識別程序，主要可以分為：訓練、辨識、辨識結果輸出三部分。

　　3.1 訓練程序

　　當程序第一次運行時(shí)，需要進(jìn)行語(yǔ)音識別訓練。完成識別訓練后，會(huì )在FLASH 存儲器中設定標志位，下次重新啟動(dòng)時(shí)，可以跳過(guò)語(yǔ)音訓練過(guò)程，直接進(jìn)行語(yǔ)音識別程序。如果用戶(hù)需要重新訓練，也可以通過(guò)按鍵來(lái)擦除標志位，該部分程序框圖如下：