李雯雯， 孔 勐， 胡金花

（合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

本設(shè)計(jì)利用凌陽(yáng)單片機(jī)的語音功能，模擬自動(dòng)導(dǎo)航小車［1］設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)音控小車。凌陽(yáng)單片機(jī)、前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)、后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及車體共同構(gòu)成一個(gè)帶有語音識(shí)別的系統(tǒng)［2］，可以根據(jù)麥克風(fēng)采集的語音信號(hào)和事先訓(xùn)練好的語音庫(kù)的特征語音進(jìn)行對(duì)比，選擇執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，外加兩個(gè)反射式紅外傳感器［3］實(shí)時(shí)監(jiān)控小車的行進(jìn)范圍，防止小車在行使過程中碰撞，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障功能［4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

聲控小車部分主要分為車身緊急校正模塊、語音輸入模塊、語音輸出模塊、小車動(dòng)作執(zhí)行模塊、中心控制模塊［5］。系統(tǒng)中聲控小車部分的原理框圖［6］如圖1所示：

圖1 聲控小車原理框圖

圖1中兩個(gè)外部中斷連接的是兩個(gè)反射式紅外傳感器，主要用于感測(cè)車庫(kù)內(nèi)標(biāo)出的白色邊界線，從而控制小車在一個(gè)合理的區(qū)域內(nèi)動(dòng)作。MIC是聲控小車的語音輸入模塊，主要用于接收智能車庫(kù)的語音命令。SPK是聲控小車的語音輸出模塊，主要用于發(fā)出對(duì)語音命令的應(yīng)答。M1是小車的前輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，由一個(gè)普通直流電機(jī)以及一些連動(dòng)齒輪組成。M2是小車的后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由一個(gè)減速電機(jī)以及一些齒輪組構(gòu)成。

本系統(tǒng)主控芯片采用SPCE061A［7］。以μ’nSPTM［8］為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域中的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇；交流減速電機(jī)是采用交流單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，它適合于在低速傳動(dòng)裝置中作驅(qū)動(dòng)組件，能起到簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和降低能耗的作用，它具有運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩大、容易控制等特點(diǎn)；普通直流電機(jī)用做轉(zhuǎn)向電機(jī)，調(diào)速范圍大，工作范圍大，并且轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快，適合用于音控小車的轉(zhuǎn)向；電機(jī)驅(qū)動(dòng)（L298N）是SGS公司的產(chǎn)品。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A；Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大36V；紅外反射式光電傳感器［9］，其紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

聲控小車的車身是用玩具車改裝而成，中央控制單元采用凌陽(yáng)61板，電源部分是由三塊手機(jī)電池組成，前輪電機(jī)采用普通直流電機(jī)，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案：

L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，一方面要接受來自單片機(jī)的控制信號(hào)，通過L298N的使能控制端ENA、ENB控制芯片的工作狀態(tài)。另一方面要給步進(jìn)電機(jī)以輸入信號(hào)（OUT1口～OUT4口），使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。L298與步進(jìn)電機(jī)的連接電路如圖2所示：

圖2 L298連接圖

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)方案：

反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。在車前方安裝了左右兩個(gè)反射式紅外傳感器。它們分別接單片機(jī)的EXT1和EXT2外部中斷，從而保證了實(shí)時(shí)性，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。反射式紅外傳感器接線圖如圖3所示：

圖3 反射式紅外傳感器接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 行使?fàn)顟B(tài)控制電路的設(shè)計(jì)：

整個(gè)小車的行駛狀態(tài)由兩個(gè)電機(jī)來控制，MOTOR 1控制左拐和右拐，MOTOR 2控制前進(jìn)、倒退。具體行使?fàn)顟B(tài)控制如表1所示。

表1 行使?fàn)顟B(tài)控制表

3.2 語音辨識(shí)設(shè)計(jì)：

凌陽(yáng)的SPCE061A是16位單片機(jī)，具有DSP功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)，為語音的播放、錄放、合成及辨識(shí)提供了條件。

特定語者（Speaker Dependent，SD）模式即辨認(rèn)特定的使用者，使用者可針對(duì)特定語者辨認(rèn)詞匯，即在啟動(dòng)小車前，系統(tǒng)將會(huì)提示輸入語音命令作簡(jiǎn)單快速的訓(xùn)練紀(jì)錄，在這里輸入“啟動(dòng)”“停止”“返回”和“模式切換”四個(gè)語音命令，通過使用者的聲音特性加以辨認(rèn)。進(jìn)入語音適應(yīng)（speaker adaptation，SA）階段，使用者只要經(jīng)過一段時(shí)間的訓(xùn)練后，即可擁有不錯(cuò)的辨識(shí)率。語音識(shí)別電路基本結(jié)構(gòu)圖和語音識(shí)別原理圖如圖4和圖5所示：

圖4 語音識(shí)別電路結(jié)構(gòu)

圖5 語音識(shí)別原理圖

3.3 辨識(shí)主程序如圖6所示：

圖6 辨識(shí)主程序流程

3.4 中斷部分

由于凌陽(yáng)單片共有9個(gè)中斷相量即FIQ、IRQ0－IRQ6及UART IRQ。而9個(gè)中斷向量共安置了14個(gè)中斷源，這樣就出現(xiàn)了一個(gè)中斷向量中包含多個(gè)中斷源的情況，當(dāng)編寫中斷服務(wù)子程序時(shí)注意判斷和區(qū)分同一中斷向量下的中斷源。

4 小結(jié)

模擬AGV的音控小車以凌陽(yáng)16位單片機(jī)為控制核心，能夠識(shí)別使用者的語音指令，并且按照指令完成前進(jìn)、倒車、左傳、右轉(zhuǎn)以及倒庫(kù)等動(dòng)作；外加的兩個(gè)反射式紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控小車動(dòng)作，防止小車在行駛過程中碰撞［10］，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)避障功能。模擬AGV的聲控小車實(shí)物如圖7所示：

圖7 聲控小車實(shí)物圖

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且充分體現(xiàn)了凌陽(yáng)16位單片機(jī)在數(shù)字信號(hào)處理及語音處理方面的優(yōu)越性。

［1］Naiqi Wu，MengChu Zhou.AGV routing for conflict resolution in AGV systems［A］.Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation［C］.2003：1428－1433.

［2］侯媛彬等.凌陽(yáng)單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計(jì)精選［M］.科技出版社，2006：30－47.

［3］吳建平，殷戰(zhàn)國(guó)，曹思榕，李坤垣.紅外反射式傳感器在自主式尋跡小車導(dǎo)航中的應(yīng)用［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2004年11月第30卷第6期：21－23.

［4］Chuck Thorpe，Justin Carlson，Dave Duggins，etc.Safe Robot Driving in Cluttered Environments［J］.Proceedings of the 11th International Symposium of Robotics Research.2003，10（1）：870－875.

［5］Y.J.Kim，J.H.Kim，D.S.Kwon.Evolutionary Programming－Based Uni－Vector Field Navigation Method for Fast Mobile Robots［J］.IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics，2001，31（3）：450－458.

［6］池瑞楠，胡終須，胡躍明.非完整兩輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001.36－40.

［7］羅亞非等.凌陽(yáng)十六位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2007：55－59.

［8］薛均義等.凌陽(yáng)十六位單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2003：17－19.

［9］何希才.傳感器及其應(yīng)用電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.146－161.

［10］M.Yang，H.Wang，K.He.Obstacle Avoidance Using Range Data in Autonomous Navigation of Mobile Robot［J］.WenTd.Proc of the 1999International Symposiumon Test and Measurement.Xi＇an：Int Academic Publishers，1999，929－933.