摘 要：本文設(shè)計(jì)并制作一種智能避障小車。以凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A為核心控制部件，外圍電路包括直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、超聲波傳感器等。該系統(tǒng)的智能控制軟件包括小車避障及路徑控制軟件和語(yǔ)音識(shí)別模塊。利用SPCE061A的語(yǔ)音模塊，根據(jù)麥克風(fēng)采集的語(yǔ)音信號(hào)與事先訓(xùn)練好的語(yǔ)音庫(kù)的特征語(yǔ)音進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行語(yǔ)音辨識(shí)并通過語(yǔ)音命令小車行進(jìn)、轉(zhuǎn)向及倒車等操作，實(shí)現(xiàn)智能音控小車的運(yùn)行狀態(tài)；利用紅外傳感器檢測(cè)路徑信息，實(shí)現(xiàn)小車的智能避障功能。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別 凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī) 避障。

中圖分類號(hào)：TPl8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（c）-0088-02

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要有三個(gè)部分組成，分別是以凌陽(yáng)SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板為核心。車體電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板和小車的車體框架為輔。人通過凌陽(yáng)SPCE061A開發(fā)板上的MIC-IN輸入語(yǔ)音，然后經(jīng)過事先編好的程序?qū)ζ溥M(jìn)行采樣、放大、核對(duì)。核對(duì)正確后將語(yǔ)音信號(hào)做出的指示傳達(dá)給車體電機(jī)電路板，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、和停三種狀態(tài)。在通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能。

1.1 系統(tǒng)的核心部件

本文設(shè)計(jì)基于SPCE061A單片機(jī)的控制主板，包括外圍接口、按鍵、麥克、液晶顯示器。SPCE061A是16位結(jié)構(gòu)的微控制器，其內(nèi)部集成了ICE、FLASH、SRAM、32位通用I/O端口、ADC、DAC輸出、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、WatchDog、中斷控制、CPU時(shí)鐘PLL、UART、SIO、低電壓監(jiān)測(cè)/低電壓復(fù)位等模塊[1]。SPCE061A可以使外圍電路大大簡(jiǎn)化，并且凌陽(yáng)單片機(jī)本身具有語(yǔ)音功能，可以加入語(yǔ)音識(shí)別模塊，簡(jiǎn)化了車體機(jī)構(gòu)。對(duì)于接口主要在串聯(lián)和并聯(lián)輸入輸出口，其余的I/O全部用插針引出。

1.2 小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

由于SPCE061A的I/O口的電壓較小，不能直接和電機(jī)相連，本文采用的是雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N[2]。L289芯片有16個(gè)引腳，內(nèi)包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)36 V、2 A以下的步進(jìn)電機(jī)，此芯片可直接由單片機(jī)的I/O端口來提供模擬時(shí)序信號(hào)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)步進(jìn)電機(jī)；IN1～I(xiàn)N4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；PWM脈寬調(diào)制[3]信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖1所示。

車體電機(jī)采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，主要用于提供動(dòng)力，另外還有一個(gè)可以360度轉(zhuǎn)向的車輪做支撐作用。該步進(jìn)電機(jī)采用單極性直流電源供電，只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮到步進(jìn)電機(jī)的散熱問題，本文采用散熱片等散熱措施進(jìn)行散熱。

1.3 小車的聽覺避障

本文采用HC-SR04超聲波傳感器，利用其反饋信號(hào)調(diào)整小車的運(yùn)行狀態(tài)。該傳感器只有2CM的盲區(qū)，工作范圍在2cm-450cm，采用的是非接觸式的測(cè)量方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方便。該模塊采用I/O觸發(fā)測(cè)距，給至少10 us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；若有信號(hào)返回，通過I/O輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速（340 m/s））/2。測(cè)量周期為60 ms超聲波時(shí)序圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面，第一個(gè)方面就是語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，第二個(gè)方面就是智能避障。我們使用的軟件編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言[3]，而開發(fā)軟件使用的是u’nSP IDE。

2.1 語(yǔ)言識(shí)別系統(tǒng)

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)主要分為初始化、訓(xùn)練、識(shí)別三個(gè)部分，基于凌陽(yáng)SPCE061A本身就具有語(yǔ)音處理系統(tǒng)，在這里本文只是選擇了相應(yīng)的模塊進(jìn)行工作，其語(yǔ)音相應(yīng)的壓縮編碼率為24 kb/s，采樣頻率為16 kHz[4]。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

所謂初始化就是在小車進(jìn)入訓(xùn)練之前的復(fù)位操作，把以前的語(yǔ)音數(shù)據(jù)全部清零，等待語(yǔ)音命令重置，每當(dāng)執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作的時(shí)候需要輸入兩條語(yǔ)音命令，第一條是操作允許命令（比如說是小車的名字），第二條是命令執(zhí)行動(dòng)作，這樣做是為了防止人們無意中的動(dòng)作執(zhí)行語(yǔ)音被錄取造成小車做出錯(cuò)誤的行動(dòng)。

訓(xùn)練就是給小車的語(yǔ)音系統(tǒng)提供語(yǔ)音參照號(hào)模塊。當(dāng)操作者連續(xù)錄入語(yǔ)音，其順序依次是名字—前進(jìn)—后退—左轉(zhuǎn)—右轉(zhuǎn)—停止。當(dāng)輸入完成后就會(huì)把該語(yǔ)音作為標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)存在SPCE061A的Flash中。

識(shí)別就是用外界接收到的語(yǔ)音同我們事先輸入的語(yǔ)音標(biāo)準(zhǔn)做比較，若與標(biāo)準(zhǔn)相吻合則執(zhí)行操作。當(dāng)在識(shí)別環(huán)節(jié)當(dāng)中，如果辨識(shí)結(jié)果是小車的名字，小車直接置待命狀態(tài)，然后等待動(dòng)作命令。只有檢測(cè)到動(dòng)作命語(yǔ)音時(shí)，小車才會(huì)根據(jù)相應(yīng)的辨識(shí)結(jié)果執(zhí)行動(dòng)作。小車在執(zhí)行完相應(yīng)的命令之后結(jié)束待命狀態(tài)。等待下一次語(yǔ)音命令。

2.2 智能避障

智能避障就是小車在沒有人的操作之下達(dá)到避開障礙物的目的。流程圖如圖4所示。智能避障也就是芯片中的模糊避障處理，對(duì)超聲波采集到的信息進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)據(jù)前后方相四兩個(gè)傳感器的反饋值來判斷小車前方是否有障礙物，并根據(jù)判斷結(jié)果，由單片機(jī)將控制信號(hào)送給驅(qū)動(dòng)芯片L298實(shí)施對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，以實(shí)現(xiàn)小車對(duì)障礙物的躲避。避障采用開環(huán)控制，即傳感器檢測(cè)到一個(gè)障礙物后即進(jìn)入相關(guān)處理子程序。如前方有障礙物這首先左轉(zhuǎn)，如在檢測(cè)到左方有障礙物則右轉(zhuǎn)，在右方也有障礙物的條件下停止前進(jìn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)智能避障小車能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音控制和自動(dòng)避障的功能。該車的控制核心采用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)，編程中用C語(yǔ)可以有效的利用存儲(chǔ)空間。小車的核心控制板實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、語(yǔ)音識(shí)別、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制以及小車方向、動(dòng)作指示等操作，而且還擴(kuò)展多路開關(guān)型傳感器接口，可以自行安裝各類傳感器，力求進(jìn)一步優(yōu)化避障小車的各項(xiàng)功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試該小車可以實(shí)現(xiàn)基本的語(yǔ)音控制及自動(dòng)避障功能，但由于程序不夠優(yōu)化，其穩(wěn)定性還有待提高，今后在智能避障算法上深入研究，為小車緊急避障和智能駕駛提供技術(shù)支持。

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