吳 勝 馮宇航 林 楠

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

1 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，汽車的價(jià)格越來(lái)越低，汽車的使用也越來(lái)越普及。隨著汽車保有量的增加，各種舒適系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)日新月異。汽車后備廂舒適性開(kāi)啟方式逐漸引起人們重視，各種智能后備廂開(kāi)啟系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到中高端車型中。目前智能后備廂開(kāi)啟方式主要有智能鑰匙感應(yīng)距離定位方式、多雷達(dá)捕捉人體動(dòng)態(tài)探測(cè)方式、雷達(dá)距離探測(cè)方式、多電容捕捉人體動(dòng)態(tài)探測(cè)方式、紅外線捕捉人體動(dòng)態(tài)探測(cè)方式、后備廂底部腳踢傳感器探測(cè)方式等，目前以后備廂底部腳踢傳感器探測(cè)方式應(yīng)用較多。但是，以上所采取的方式中都有不同程度的功能缺陷，主要體現(xiàn)在探測(cè)精度低、后備廂誤開(kāi)啟、成本高以及部分產(chǎn)品使用不方便等問(wèn)題。如距離感應(yīng)方式，當(dāng)有車主鎖車后從車身邊上走開(kāi)時(shí)會(huì)有開(kāi)啟后備廂的動(dòng)作，當(dāng)車主購(gòu)物回來(lái)帶著較多物品時(shí)，用腳感應(yīng)傳感器的開(kāi)啟方式又不是很方便。這些問(wèn)題的出現(xiàn)主要還是因?yàn)樗鼈兊目刂品绞絾我?，沒(méi)有應(yīng)用雙認(rèn)證導(dǎo)致的。因此，由特定語(yǔ)音控制開(kāi)啟后備廂的方式必將成為未來(lái)后備廂開(kāi)啟的新方式。

廣州市英頓汽車配件有限公司早在2017年前后就提出了“君子動(dòng)口不動(dòng)手”，用了1 天時(shí)間思考、立項(xiàng)，2 天時(shí)間開(kāi)發(fā)，1 天調(diào)試，自主研發(fā)了一款英頓電動(dòng)尾門，并在實(shí)際中得到了應(yīng)用。英頓也就成為國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展聲控電動(dòng)尾門研發(fā)的單位，也吹響了智能語(yǔ)音開(kāi)啟后備廂的號(hào)角。吉利汽車2020 款博越智尊PRO 車型也配備了語(yǔ)音控制后備廂功能，是國(guó)內(nèi)較早將語(yǔ)音控制后備廂功能應(yīng)用在汽車的廠家。特斯拉Model Y 可以利用蘋果手機(jī)軟件和Siri 打開(kāi)后備廂，是最早在新能源汽車上應(yīng)用智能語(yǔ)音控制后備廂的車型。

本設(shè)計(jì)采用STM32 單片機(jī)為系統(tǒng)核心控制板，以新能源汽車后備廂實(shí)物為依托，內(nèi)置智能語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)鑰匙在檢測(cè)距離范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集語(yǔ)音指令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)新能源汽車后備廂智能、精準(zhǔn)的語(yǔ)音控制開(kāi)啟和關(guān)閉。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)目前智能后備廂控制采用的雷達(dá)距離探測(cè)等方式存在的不足，本文設(shè)計(jì)一款能夠識(shí)別特定聲音的新能源汽車后備廂控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)、特定語(yǔ)音識(shí)別、串口通信和智能人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)后備廂語(yǔ)音精準(zhǔn)、可靠控制。需要對(duì)現(xiàn)有新能源汽車后備廂開(kāi)啟方式進(jìn)行機(jī)械改造，以適應(yīng)該系統(tǒng)控制。自動(dòng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)力部分采用舵機(jī)控制，選用MG995，TBS2701舵機(jī)，扭力15公斤，用于控制后備廂開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)智能鑰匙在感應(yīng)范圍內(nèi)，并且系統(tǒng)檢測(cè)到特定語(yǔ)音指令時(shí)，串口發(fā)送控制指令給舵機(jī)進(jìn)行后備廂開(kāi)關(guān)操作。當(dāng)語(yǔ)音模塊被喚醒，語(yǔ)音模塊會(huì)通過(guò)語(yǔ)音播放的方式對(duì)車主的指令進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)?shù)玫杰囍鞔_定回復(fù)時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉后備廂。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)選擇

系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為核心控制板，前端為采集外部特定語(yǔ)音信號(hào)的信號(hào)收集裝置，后端為舵機(jī)控制模塊，用于開(kāi)啟和關(guān)閉后備廂。新能源汽車后備廂智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

其硬件系統(tǒng)由電源模塊電路、STM32 核心控制板、工作模式選擇模塊、特定語(yǔ)音識(shí)別模塊、按鍵模塊以及舵機(jī)控制模塊等組成，系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件

2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)鑰匙開(kāi)關(guān)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊被喚醒，等待車主發(fā)出后備廂喚醒指令。為實(shí)現(xiàn)特定聲音喚醒，確保非車主喚醒指令誤觸發(fā)系統(tǒng)工作，本設(shè)計(jì)采用云知聲智能語(yǔ)音芯片US516P6 進(jìn)行設(shè)計(jì)。該芯片可以針對(duì)不同的場(chǎng)景需求配置不同的語(yǔ)音交互方案，自動(dòng)生成SDK程序，支持喚醒詞自定義。系統(tǒng)集成了高精度AD/DA 轉(zhuǎn)換電路，智能AI語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，可以方便實(shí)現(xiàn)特定人員語(yǔ)音識(shí)別與人機(jī)對(duì)話功能[1]。通過(guò)出口電路實(shí)現(xiàn)與音響喇叭的通信，對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，其接口及電路如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路圖

2.3 工作模式選擇模塊設(shè)計(jì)

工作模式選擇是指對(duì)后備廂開(kāi)啟方式的選擇，主要有兩種模式：傳統(tǒng)模式和語(yǔ)音控制模式。傳統(tǒng)模式是車輛最初配備的開(kāi)啟模式，系統(tǒng)不干預(yù)原來(lái)的開(kāi)啟方式。語(yǔ)音控制模式是系統(tǒng)接管了后備廂控制方式，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別控制。工作模式選擇采用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 工作模式選擇模塊電路

2.4 舵機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制模塊是控制系統(tǒng)的末端，是系統(tǒng)開(kāi)關(guān)后備廂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路，是集電機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、PWM 控制于一體的伺服控制單元，適合于各種對(duì)舵機(jī)控制精度要求較高的場(chǎng)合。PWM 的舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用脈寬控制，以達(dá)到對(duì)電機(jī)行程的線性控制。該方案所選用的舵機(jī)基準(zhǔn)信號(hào)周期為20ms，占空比范圍0.5 ms ～2.5ms，1.5ms 這個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)定義為中位信號(hào)[2]。按所給的脈寬不同，可以實(shí)現(xiàn)0°～135°開(kāi)啟角度的控制，完全滿足后備廂開(kāi)關(guān)角度，在實(shí)際使用中通過(guò)測(cè)試可以將舵機(jī)變換角度調(diào)整到不同車型所對(duì)應(yīng)的合適范圍。舵機(jī)控制電路如圖5所示。

圖5 舵機(jī)控制電路圖

2.5 鑰匙信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)

鑰匙信號(hào)檢測(cè)功能使用原車提供的智能鑰匙檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基站（車身）和應(yīng)答器（無(wú)線鑰匙）組成。鑰匙與車身實(shí)時(shí)通信，通信方式為基站實(shí)時(shí)發(fā)送搜尋報(bào)文，該報(bào)文能夠被信號(hào)范圍內(nèi)的應(yīng)答器所識(shí)別，一旦識(shí)別到，鑰匙就會(huì)反饋應(yīng)答信號(hào)，實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證。身份驗(yàn)證結(jié)果會(huì)反饋給ECU，實(shí)現(xiàn)開(kāi)車門、開(kāi)后備廂功能，我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車智能后備廂系統(tǒng)接收該身份認(rèn)證成功信號(hào)，作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲控的前提，只有系統(tǒng)收到該認(rèn)證成功信號(hào)后才能進(jìn)行身份識(shí)別操作以及開(kāi)關(guān)后備廂的動(dòng)作。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的靈魂，具有支撐系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)工作的功能，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮到系統(tǒng)的兼容性、可操作性和人機(jī)交互的簡(jiǎn)潔性。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含4個(gè)部分：系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)、語(yǔ)音播報(bào)反饋程序設(shè)計(jì)、串口通信程序設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

新能源汽車后備廂智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)上電后即可完成初始化工作，首先會(huì)播報(bào)當(dāng)前后備廂狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉，同時(shí)播報(bào)當(dāng)前系統(tǒng)工作模式。工作模式有兩種，一種是智能語(yǔ)音控制模式，一種是傳統(tǒng)控制模式[3]。傳統(tǒng)控制模式下，后備廂的開(kāi)啟通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)或者汽車機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行后備廂開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示。智能語(yǔ)音控制模式下，系統(tǒng)首先檢測(cè)是否有車主鑰匙接近，并識(shí)別其身份，當(dāng)識(shí)別該鑰匙身份合法后，喚醒智能語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)喇叭詢問(wèn)車主：“是否開(kāi)啟/關(guān)閉后備廂？”并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)音頻輸入端口是否接收到特定語(yǔ)音信息，同時(shí)監(jiān)測(cè)后備廂狀態(tài)。當(dāng)語(yǔ)音系統(tǒng)檢測(cè)到車主發(fā)出的“打開(kāi)/關(guān)閉后備廂”的確切指令后，系統(tǒng)進(jìn)行指令合法性判斷，無(wú)誤后則執(zhí)行打開(kāi)/關(guān)閉后備廂操作。當(dāng)語(yǔ)音系統(tǒng)檢測(cè)到否定內(nèi)容或者為不合法身份人員的語(yǔ)音指令時(shí)，則保持后備廂狀態(tài)不變，結(jié)束進(jìn)程[4]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序如下：

3.2 語(yǔ)音系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音系統(tǒng)上電后，首先開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘、串口、定時(shí)器等進(jìn)行初始化，開(kāi)始等待語(yǔ)音助手喚醒指令，如果系統(tǒng)檢測(cè)到語(yǔ)音喚醒命令，則發(fā)出喚醒指令到系統(tǒng)，同時(shí)喇叭播報(bào)“智能語(yǔ)音控制模式”，然后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)狀態(tài)，等待車主進(jìn)一步語(yǔ)音指令[5]。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有效指令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)操作，檢測(cè)到無(wú)效指令，則保持系統(tǒng)狀態(tài)不變。語(yǔ)音系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 語(yǔ)音系統(tǒng)程序流程圖

語(yǔ)音系統(tǒng)程序如下：

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的新能源汽車后備廂智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)由語(yǔ)音模塊、按鍵模塊、電源模塊、STM32核心板以及舵機(jī)控制模塊組成，系統(tǒng)采用降壓穩(wěn)壓、語(yǔ)音識(shí)別、串口通信、人機(jī)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新能源汽車后備廂的智能語(yǔ)音控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率高，適合作為汽車后備廂語(yǔ)音控制開(kāi)關(guān)使用。系統(tǒng)雖已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別控制功能，但仍然存在需要改進(jìn)和完善的地方，如增加智能語(yǔ)音交互功能，使車主使用更安全。