[摘 要]為了滿足多任務(wù)作用下無人艇航向和航速的精確、簡單、靈活操控，降低指揮人員的工作壓力，提出了一種基于語音控制的小型無人艇設(shè)計(jì)方案.它以LD3320語音識別芯片和STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，通過控制兩個(gè)噴水推進(jìn)器協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)航向及航速的變化.經(jīng)進(jìn)一步的模型航行實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了目前語音控制無人艇存在的主要問題，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]水面無人艇；語音控制；STC89C52RC單片機(jī)；識別率

中圖分類號：TU856 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）12-0400-01

1 引言

水面無人艇（Unmanned Surface Vessel，簡稱USV）是一種在海洋環(huán)境下?lián)碛凶灾骱叫心芰?，可以通過搭載不同的功能模塊來完成相應(yīng)任務(wù)的小型水面運(yùn)動平臺[1].水面無人艇工作時(shí)，不需要人參與到工程現(xiàn)場，航向控制是基于岸基或者基于母船的控制中心來實(shí)現(xiàn)的[2].如果遇到大風(fēng)大浪以及有害物質(zhì)泄漏等惡劣環(huán)境，水面無人艇便可以代替工作人員去完成相關(guān)作業(yè).這在最大程度上保證了人員安全，降低了研究人員和施工人員的危險(xiǎn)程度[3]。

然而事實(shí)上，大多數(shù)USV的作業(yè)和運(yùn)動控制都是在團(tuán)隊(duì)的相互協(xié)作下完成的，一定程度上就造成了人力和資源的浪費(fèi).因此，設(shè)計(jì)制作一種低成本的小型水面無人艇語音控制系統(tǒng)，展開模型控制實(shí)驗(yàn)，不僅能夠?yàn)橄冗M(jìn)運(yùn)動控制算法提供可驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)操作平臺，而且可以為研制更高性能的水面無人艇運(yùn)動控制器打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義.本文提出了一種具有操縱性好、靈敏度高、能耗小等特點(diǎn)的小型水面無人艇語音操控系統(tǒng)，在不影響手動控制其它設(shè)備的前提下，最大化利用“嘴巴”這一人體器官，實(shí)現(xiàn)水面無人艇高效率的智能化控制。

2 硬件平臺架構(gòu)

該語音控制系統(tǒng)使用LD3320語音識別芯片[4]作為指令識別的核心部件，以STC89C52RC單片機(jī)作為控制中心來實(shí)現(xiàn)對水面無人艇的運(yùn)動控制.為了完善系統(tǒng)功能，還需擴(kuò)展外部設(shè)備.因此，除了LD3320語音識別芯片和STC89C52RC單片機(jī)兩大核心模塊，另外需要使用2.4G無線麥克風(fēng)、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、國產(chǎn)370高扭矩直流電機(jī)（額定電壓為7.4V）與無拉桿噴水舵機(jī)共同完成系統(tǒng)硬件的構(gòu)建。

LD3320是一款語音識別專用芯片，可實(shí)現(xiàn)非特定人的語音識別[5]，它內(nèi)置有非特定人語音識別算法，而且語音識別的關(guān)鍵詞可以任意動態(tài)編輯，識別結(jié)果能以下面兩種方式給出：①外部送入一定時(shí)間（如1秒鐘）的語音數(shù)據(jù)后，識別芯片對這些語音數(shù)據(jù)特征提取和運(yùn)算分析并給出識別結(jié)果；②外部送入語音數(shù)據(jù)之后，識別芯片可通過端點(diǎn)檢測技術(shù)判斷出發(fā)令員停止說話，把發(fā)令員說話開始到停止期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，給出識別結(jié)果.為了保證水面無人艇變速和改向的實(shí)時(shí)行和控制靈敏度，我們采用了后者.LD3320語音識別芯片的工作流程如下：

電機(jī)選用370高扭矩直流電機(jī)，負(fù)載最大電流6A，最大轉(zhuǎn)速每分鐘430000轉(zhuǎn).兩個(gè)電機(jī)與噴水舵機(jī)共同組成推進(jìn)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)噴水速率差，實(shí)現(xiàn)水面無人艇的運(yùn)動控制.電機(jī)調(diào)速方面采用的是脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)[6]，配合橋式驅(qū)動電路L298N可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)大范圍調(diào)速。

3 語音控制方法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常工作時(shí)，語音信號被麥克風(fēng)接收、解析后傳送到語音芯片內(nèi)部（已經(jīng)放置好關(guān)鍵詞列表），收集到的語音信息與原先放好的關(guān)鍵詞進(jìn)行識別、匹配和對比，得到一個(gè)最優(yōu)的結(jié)果，從而通過串口發(fā)送信號給單片機(jī)；接收器接收后，通過解調(diào)還原出發(fā)來的信息，控制水面無人艇上有關(guān)航向航速的功能轉(zhuǎn)換，從而來實(shí)現(xiàn)航向及航速的控制。

程序的編寫、下載及調(diào)試是通過軟件Keil-μVision4來完成的，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將語音識別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、STC89C52RC單片機(jī)[7]等器材連接在一起，并進(jìn)行不斷的調(diào)試和完善完成了語音控制設(shè)計(jì).水面無人艇的指令包括前進(jìn)、加速、減速、左舵、右舵、停止六種.結(jié)合PWM技術(shù)相關(guān)原理，相應(yīng)指令下對應(yīng)的左、右電機(jī)電壓值（U0為電機(jī)工作時(shí)的額定電壓）。

4 模型控制測試

為了驗(yàn)證語音控制水面無人艇的可行性和實(shí)用性，在兩種不同噪聲環(huán)境下對無人艇模型進(jìn)行了岸基控制測試。

根據(jù)不同地點(diǎn)語音控制的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知，即使在湖邊這樣的嘈雜環(huán)境下，語音控制系統(tǒng)仍能保持90%以上的應(yīng)答準(zhǔn)確性.因此，通過實(shí)驗(yàn)次數(shù)和控制熟練程度的提高，指揮人員便可進(jìn)一步安全、準(zhǔn)確的控制無人艇航行，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論及展望

本文旨在研究無人船語音控制系統(tǒng)的可行性，而最終的結(jié)果表明，語音控制突破了傳統(tǒng)控制方式的局限性，極大地簡化了控制過程，提高了控制效率，是一種比較自由、靈活、智能的控制方式.對于后期研究階段，為了進(jìn)一步提高語音控制的安全性和實(shí)用性，可以結(jié)合深度學(xué)習(xí)理論，通過數(shù)學(xué)建模，綜合分析以下因素對控制靈敏度的影響：①不同指令下航行速度對無人艇安全的影響；②主要語音指令的內(nèi)容與頻率特征對識別率的影響；③外界雜音干擾的影響；④指令的清晰程度影響等.

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

王博士（1995-），男，河南省商丘市人，民？族：漢？職稱：無，學(xué)歷：本科在讀。研究方向：航海技術(shù)專業(yè)。