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基于PID算法的語音智能小車設計

2020-09-12 14:04張敏麗郭紅壯于源華
科技風 2020年23期

張敏麗 郭紅壯 于源華

摘 要: 本設計基于PID算法設計了一種智能語音控制小車,主要包括電機驅(qū)動模塊、語音識別模塊、單片機控制模塊。核心部分是采用STM32F101單片機和LD3320語音芯片實現(xiàn)語音智能控制,LD3320芯片對語音信號檢測和數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)傳送給STM32F101單片機,STM32F101單片機對語音信息進行分析,實現(xiàn)對小車的智能控制。系統(tǒng)主要硬件電路包括主控模塊電路、語音通信電路、電機驅(qū)動電路。軟件設計主要包括單片機語音通信程序、數(shù)據(jù)處理分析程序、電機驅(qū)動程序、PID算法的實現(xiàn)。使用L298N電機驅(qū)動以及5V直流電機,采用PID算法可以方便、靈活控制速度。在各模塊的軟件設計與仿真之后,經(jīng)過各模塊實物的制作以及測試,完成了智能操控系統(tǒng)兒童電動車的制作。語音識別距離范圍5m;實現(xiàn)小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。

關鍵詞: PID算法;STM32F101;LD3320;L298N;語音控制

1 系統(tǒng)結(jié)構

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構

本次設計中主要包含四個主要部分:語音芯片對語音正確的識別、單片機對關鍵詞的匹配、控制信號的發(fā)送、驅(qū)動電路驅(qū)動電機。

總體框圖如圖1所示:

1.2 系統(tǒng)硬件設計

在本設計中,硬件電路主要包括四大模塊:語音芯片電路、單片機控制電路、驅(qū)動電路和電源電路。

1.2.1 主控模塊硬件電路設計

按照此次設計的要求,開始對芯片種類的查找,翻看資料進行優(yōu)缺點比較,要使用STM32作為本設計的主控芯片。STM32系列位微控制器使用來自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核,特別設計適用于集性能高、功耗低、實時應用、競爭性價格具有優(yōu)勢于一體的嵌入式領域[1]。

本次設計采用的STM32F101R8T6芯片,STM32芯片的脈寬是由兩種不同的寄存器通過確定頻率和根據(jù)占空比產(chǎn)生PWM信號來調(diào)節(jié)的。輸出三種PWM邊沿對齊模式來實現(xiàn)設計要求。使PWM控制信號的輸出更加方便,因此可按照需要選擇使用。組成STM32的最小系統(tǒng)電路有電源電路、復位電路以及振蕩電路等。51個GPIO,所有I/O口都可以連接到16個外部中斷;3個16位定時器,每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和量編碼器輸入,1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車,用于電機控制的PWM高級控制定時器,2個看門狗定時器——獨立的和窗口型的[2]。

1.2.2 語音信號檢測電路設計

本設計采用的語音芯片是LD3320語音芯片,LD3320芯片是一種語音識別專用的集成芯片,無需提前錄入和模擬訓練,不會限制特定的語音信息,能夠快速可靠并準確的識別關鍵詞。每次在程序中可寫入50個關鍵詞組,可以是單字、詞組或短句,識別句的內(nèi)容可隨時修改,輸入語音信息后,語音芯片會按照關鍵詞組一一比較。該芯片中包含了關于語音識別處理的一系列結(jié)構和外部電路,包括AD/DA轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音放大器、聲音輸出接口以及LED燈監(jiān)測系統(tǒng)等。不需要外接輔助的Flash和RAM,使用方便[3]。語音識別后的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在寄存器中,寄存器是暫存數(shù)據(jù)、指令和地址的,數(shù)據(jù)的傳遞都是通過對寄存器的操作來完成數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的。例如在進行語音識別的時候,存儲要匹配識別的關鍵詞語列表,設定輸入信號的識別模式,識別過程完成后獲取的識別結(jié)果都是通過讀/寫寄存器來完成。在LD3320語音芯片在對語音檢測時,可以對干擾噪音時間進行判斷,根據(jù)時間長度可以檢測出指令是否終止。該芯片與STM32控制器之間的通訊方式可以采用并行通信或SPI通訊的方式,本設計中選用并行接口通信,因為當單片機接收語音芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)時,必須先將串行數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù),然后再輸入到單片機。會產(chǎn)生誤差,影響識別的精確度。當單片機需要向驅(qū)動電路發(fā)送控制信號時,也需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),并行傳送。語音模塊電路圖如圖2所示:

1.2.3 電機驅(qū)動模塊

電機使用2個有刷直流電機,高轉(zhuǎn)速控制靈活簡便。L298N是雙H橋驅(qū)動電機芯片,內(nèi)含四通道邏輯電路,可以用來驅(qū)動一個兩相步進電機或兩個驅(qū)動電機、繼電器線圈等感性負載,是專門用作驅(qū)動的集成電路[4]。最高輸出電流為4A,最高工作電壓為50V,在本設計中,輸出電流為2A,輸出電壓為5V,該電路可以外接檢測電路,將變化量反饋給單片機電路。有四種電機控制模式:正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動/停止;可對直流電機進行PWM調(diào)速。

1.2.4 電源模塊

在本次設計的電路中,對L298N驅(qū)動芯片和對電機的驅(qū)動電源都采用5V供電,而單片機和語音芯片通過TTL轉(zhuǎn)換接口采用轉(zhuǎn)換出來的3.3V進行供電,又因為單片機要給驅(qū)動電路發(fā)送控制信號,所以單片機和驅(qū)動電路的連接就是將兩個模塊的GND連接在一起,實現(xiàn)通信。可以用三節(jié)AA電池供電,也可采用充電寶電源通過穩(wěn)壓芯片供電。由于不斷調(diào)試耗費電池量大,而且充電寶優(yōu)可提供穩(wěn)定的5V電壓,環(huán)保且高效的給小車提供動力。所以選擇充電寶供電。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 STM32控制系統(tǒng)軟件設計

STM32控制系統(tǒng)程序采用C語言編程,KEIL開發(fā)軟件進行開發(fā)。首先進行初始化操作,將控制系統(tǒng)各個模塊進行初始化,包括語音交互模塊、觸摸屏模塊以及串口通信的軟件初始化。當按下啟動開關后才可正常工作,在工作時,當有語音輸入時,語音識別模塊對關鍵詞一一分析比較,系統(tǒng)便會根據(jù)關鍵詞對應控制小車來實現(xiàn)不同的動作,LD3320芯片最多可以對50個關鍵詞進行識別處理,因此可實現(xiàn)50種不同的控制動作。文中對智能小車的動作測試只有六種,如果以后要增加其他功能,可以根據(jù)設計要求繼續(xù)添加。

2.2 語音數(shù)據(jù)采集的設計

語音識別的操作順序是:語音輸入LD3320音頻處理器進行處理,音頻采樣錄入識別列表,保存在存儲器中,MCU讀取存儲器,與關鍵詞相匹配開始識別,識別結(jié)果發(fā)送給單片機。并準備好中斷響應函數(shù),打開中斷允許位。在本次設計中,起初采用的就是觸發(fā)方式識別配合按鍵控制的,但由于每次啟動識別都需要重復按鍵,所以就優(yōu)化了識別方式,改用了循環(huán)識別,使其更加智能化。

3 自整定模糊PID的算法實現(xiàn)

本設計采用PID調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)小車的運動狀態(tài)的變化。傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構如圖4所示:

在過程控制中模糊控制器與PID控制器的結(jié)合控制成為了很重要的研究方向。在本設計中,模糊控制在整個復合控制器中起輔助控制的作用,本質(zhì)為PID控制器。主要利用模糊控制器的反模糊化輸出來調(diào)節(jié)PID控制器的三個參數(shù),從而使PID控制器的三個參數(shù)能夠自調(diào)整達到提高控制性能的目的[5]。以模糊控制器來輔助PID控制器的模糊控制原理如圖5所示:

模糊控制器的輸入為預設值r(t)與反饋值得到的偏差e(t)以及偏差變化率Δe(t),輸出經(jīng)模糊控制器得到3個參數(shù)的增量ΔKp,ΔKi,ΔKd,再與預先整定的PID控制器的3個參數(shù)Kp0,Ki0,,Kd0求和。Kp=Kp0+ΔKp ;Ki=Ki0+ΔKi;Kd=Kd0+ΔKd。

這樣就實現(xiàn)了Kp,Ki,Kd的參數(shù)變化整定,進而根據(jù)被控對象的特點變化而產(chǎn)生改變提高性能指標。

4 結(jié)語

主要闡述了語音控制的智能小車的總體設計思路和系統(tǒng)框架結(jié)構,主要完成了智能語音小車的軟硬件設計,并畫出了軟件流程圖。并采用模糊控制PID算法對直流減速電機的轉(zhuǎn)速進行控制。在上位機繪制PID曲線方便PID參數(shù)整定。將分模塊和整機分別進行測試,結(jié)果顯示該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,精確度較高,具有一定的抗干擾能力,可被廣泛應用在教學、智能玩具和搬運等場合,有很好的實用價值[6]。

參考文獻:

[1]楊婉榮.PCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設計[D].西安工業(yè)大學,2014.

[2]蔣鳴東.利用STM32實時溫度采集及無線傳輸設計[J].電腦知識與技術,2013,9(12):2929-2933.

[3]鄧天金,王昭武,余達.基于單片機控制的多功能智能語音風扇[J].電子世界,2017(23):21-22.

[4]肖順梅.智能康復訓練器控制系統(tǒng)的設計與研究[D].南京理工大學,2015.

[5]彭少康.PCR儀溫度檢測與控制系統(tǒng)的研究與設計[D].南華大學,2016.

[6]冷雪鋒.基于PID的STM32智能小車機器人的設計[J].自動化技術與應用,2016,35(11):122-127.

*通訊作者: 于源華。