摘? 要：本設(shè)計(jì)基于飛思卡爾Kinetis?KL26P121M48SF4RM單片機(jī)，通過(guò)LD3320語(yǔ)音芯片接收語(yǔ)音信息，并傳輸?shù)終inetis?KL26單片機(jī)依次通過(guò)語(yǔ)音信息預(yù)處理、語(yǔ)音信息優(yōu)化處理和特殊語(yǔ)音信息處理，對(duì)采集到的語(yǔ)音信息進(jìn)行處理，提高對(duì)語(yǔ)音命令的執(zhí)行力與準(zhǔn)確性。針對(duì)語(yǔ)音信息以及其他傳感器采集到的路況信息進(jìn)行識(shí)別與跟蹤監(jiān)測(cè)。并將語(yǔ)音識(shí)別模塊、超聲波傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等有效聯(lián)結(jié)起來(lái)，組成了輪椅控制系統(tǒng)的主要部分，經(jīng)由編程實(shí)現(xiàn)了輪椅的自動(dòng)行駛、自動(dòng)避障、語(yǔ)音控制等功能。本設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)證明完全可以解放使用者的雙手做到輪椅的自由操控，特別是超聲波傳感器的加入更是加大了輪椅的安全保障。

關(guān)鍵詞：KL26P121M48SF4RM單片機(jī);語(yǔ)音識(shí)別;LD3320

中圖分類號(hào)：TN912.34;TP368.12? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0032-03

Abstract：This design is based on Freescale Kinetis?KL26P121M48SF4RM single-chip computer. It receives voice information through LD3320 voice chip and transmits it to Kinetis?KL26 single-chip computer through voice information preprocessing，voice information optimization processing and special voice information processing in turn. The collected voice information is processed to improve the execution and accuracy of voice commands. Speech information and road condition information collected by other sensors are identified and monitored. The speech recognition module，ultrasonic sensor and motor drive module are effectively connected to form the main part of the wheelchair control system. The functions of automatic driving，obstacle avoidance and voice control of wheelchair are realized by programming. The design experience proves that the user’s hands can be freely manipulated，especially the addition of ultrasonic sensors enhances the safety of the wheelchair.

Keywords：KL26P121M48SF4RM MCU;speech recognition;LD3320

0? 引? 言

自步入21世紀(jì)，我國(guó)的老齡化情況越來(lái)越嚴(yán)重，隨之老年人面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，老年人的陪護(hù)問(wèn)題成為現(xiàn)在的一大難題，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始致力于功能豐富的輪椅的研究，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，輪椅向智能化與人性化方向發(fā)展，逐漸取代功能單一、體型笨重的輪椅。智能輪將是輪椅發(fā)展的一大趨勢(shì)。

自1986年英國(guó)開(kāi)始研制第一臺(tái)智能輪椅以來(lái)，人們就不僅僅關(guān)注于傳統(tǒng)輪椅，人工智能賦予了輪椅更實(shí)用的功能，因此世界各國(guó)都對(duì)智能輪椅的研究注入了較大的投資。研究過(guò)程總是從簡(jiǎn)單走向高級(jí)，從最初最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)、速度控制等到智能性，如具備了較好的交互性、適應(yīng)性與自主性。

我國(guó)在智能輪椅方面的研究雖然起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國(guó)外相比存在著一定的差距，但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)外先進(jìn)水平的智能輪椅。從整體來(lái)看，相較于國(guó)外已經(jīng)部分應(yīng)用的針對(duì)于殘障人士的智能輪椅，我國(guó)所研制出的輪椅功能相對(duì)簡(jiǎn)單，僅限于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能控制的聲控輪椅，雖然在一定程度上滿足了部分人的需求，但這并不能滿足部分老年人的更多的需求。因此，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)老年人的需求，研究的是基于語(yǔ)音識(shí)別的智能輪椅的控制。

1? 設(shè)計(jì)方案

由于輪椅的受眾群體主要是殘疾人和老年人，他們對(duì)于輪椅的基本要求主要偏向于價(jià)格、故障率、維修是否便利等方面，因此模塊化設(shè)計(jì)相較于其他方案，是最合適的選擇。本輪椅是由語(yǔ)音模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)距模塊、電源模塊和主控模塊幾部分組成的。語(yǔ)音模塊通過(guò)Wi-Fi模塊與主控模塊相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收與傳輸。驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)距模塊、電源模塊通過(guò)導(dǎo)線與主控模塊相連接，確保實(shí)現(xiàn)最快的響應(yīng)速度，進(jìn)而確保整個(gè)系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。主控模塊選用飛思卡爾KL26P121M48SF4RM單片機(jī)，保證程序完整無(wú)誤地正確運(yùn)行，測(cè)距模塊選用雷達(dá)模塊與超聲波模塊相結(jié)合的方式，確保整車和用戶的安全，語(yǔ)音模塊選用LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與功能的平衡。整體工作圖見(jiàn)圖1所示。

2? 主控模塊

由于輪椅的適用人群較為特殊，因此，安全是首要條件。在滿足安全的條件下進(jìn)行選擇時(shí)，確保輪椅的快速響應(yīng)與提高輪椅的安全保障至關(guān)重要，故主控模塊選用飛思卡爾KL26P121M48SF4RM單片機(jī)，運(yùn)行頻率為180MHz，帶單精度浮點(diǎn)單元和8KB緩存。其多達(dá)32通道的DMA用于外設(shè)和存儲(chǔ)器，可以降低CPU負(fù)載，實(shí)現(xiàn)更快的系統(tǒng)吞吐。因此，更快速的系統(tǒng)響應(yīng)可以使輪椅獲得更佳的反應(yīng)速度，當(dāng)用戶下達(dá)指令后可以迅速地執(zhí)行相應(yīng)的指令，或者當(dāng)輪椅檢測(cè)到障礙物時(shí)可以迅速地執(zhí)行相應(yīng)的避障功能。

此單片機(jī)具有靈活的低功耗模式，運(yùn)行功耗降至250μA/MHz，靜態(tài)功耗降至9.0μA，支持全狀態(tài)保留，不到6μS即可喚醒。靜態(tài)功耗可低至250nA（VLLS0）。由于此輪椅完全由電能驅(qū)動(dòng)，所以整車系統(tǒng)的運(yùn)行依靠著一個(gè)強(qiáng)大的蓄電池來(lái)提供能量。所以，在有限的電能里，應(yīng)該考慮將盡可能多的電能分配給驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)使用，盡可能地延長(zhǎng)輪椅的續(xù)航時(shí)間，為用戶提供一個(gè)更可靠，更耐久的輪椅，因此，此單片機(jī)的低功耗功能完全符合此輪椅的需求。

3? 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊為整個(gè)輪椅系統(tǒng)的核心部件，語(yǔ)音控制功能也是此輪椅的一大特色，用戶可以通過(guò)語(yǔ)音來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)講是非常重要的一部分，其識(shí)別結(jié)果的精準(zhǔn)度直接關(guān)系到輪椅整體運(yùn)行的指令，對(duì)于其安全性能有著重大的影響。

語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程主要依靠具有語(yǔ)音識(shí)別功能的芯片來(lái)完成，其主要的流程包括：通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)行語(yǔ)音輸入，預(yù)處理部分是將輸入的語(yǔ)音內(nèi)容進(jìn)行頻譜分析，將分析后的內(nèi)容進(jìn)行提取，選取其中具有顯著特點(diǎn)的片段進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記后的內(nèi)容與事先準(zhǔn)備好的語(yǔ)音參考模式庫(kù)中的內(nèi)容進(jìn)行匹配，匹配成功再進(jìn)行處理，最后輸出結(jié)果。其流程圖如圖2所示。

LD3320芯片不僅包含了語(yǔ)音識(shí)別處理器，還自帶一些外部電路，比如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、語(yǔ)音輸入接口、語(yǔ)音輸出接口等，這使我們的電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)潔，不需要過(guò)多的外接電路和輔助芯片。而它所含有的A/D、D/A通道精度很高，可達(dá)到我們對(duì)于語(yǔ)音高精度識(shí)別的要求，而其內(nèi)部還可實(shí)現(xiàn)詞條自主編輯，自主編輯詞條量有50條，完全能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求。因此，綜合各方面的因素來(lái)考慮，在語(yǔ)音識(shí)別部分，芯片的選取上，選擇了LD3320芯片。

4? 速度控制模塊

本設(shè)計(jì)是配合電機(jī)模塊進(jìn)行使用，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，采用橋式電路，橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要分為雙極性與單極性兩種，雙極性電機(jī)驅(qū)電路具有較多的交流輸出電流，容易造成電機(jī)消磁并使電機(jī)發(fā)熱。因而，此次模型搭建選擇采用直流電動(dòng)機(jī)可逆單極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其開(kāi)關(guān)元件由4個(gè)N溝道功率MOSFET管組成，在額定工作狀態(tài)下，它的穩(wěn)定工作電流可以達(dá)到100A以上，很大程度上提高了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。此驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)單片機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。通過(guò)單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向的快速控制。

5? 電機(jī)模塊

電機(jī)部分的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)行走、控速以及剎車等功能，在實(shí)現(xiàn)這些功能的過(guò)程中，考慮到所需要的不僅僅是定速，還需要滿足在各種情況下能夠高完成度、高精度地執(zhí)行命令控制的要求。

本系統(tǒng)采用24V直流減速電機(jī)3PC36GN-24，這類電機(jī)扭力大控制力強(qiáng)，通過(guò)與上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊配合使用，滿足輪椅在運(yùn)行過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)的前進(jìn)、后退等功能，兩個(gè)電機(jī)分別對(duì)稱安裝在輪椅兩側(cè)的左、右輪上，從機(jī)械方面來(lái)看，此類電機(jī)具有極好的過(guò)載能力和平衡性能，在輪椅運(yùn)行過(guò)程中噪音小，貼合性高。

6? 結(jié)? 論

本文主要通過(guò)分析日常生活中人們所關(guān)注的重要社會(huì)問(wèn)題，引出目前科技進(jìn)步所面臨的重大課題?；谥悄芷囈约盁o(wú)人駕駛車輛，設(shè)計(jì)出一款基于語(yǔ)音處理的智能輪椅。本設(shè)計(jì)基于KL26P121M48SF4RM微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用LD3320語(yǔ)音芯片作為語(yǔ)音信息采集傳感器，配和其他傳感器進(jìn)行路況檢測(cè)與道路識(shí)別。通過(guò)模擬道路行駛過(guò)程中可能會(huì)遇到的路況，設(shè)計(jì)算法優(yōu)化語(yǔ)音信息，選擇最佳行駛路徑，最終實(shí)現(xiàn)輪椅的穩(wěn)定、安全、智能行駛，提升了輪椅的智能化與靈活性，解決了目前輪椅存在的諸多問(wèn)題，具有廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：賈豪（1997.05-），男，漢族，山東菏澤人，本科，研究方向：自動(dòng)化。