基于安卓系統(tǒng)語音識(shí)別控制智能小車的設(shè)計(jì)

蔣澤潤，黃明，吉祥（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京，100144）

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基于安卓系統(tǒng)語音識(shí)別控制智能小車的設(shè)計(jì)

蔣澤潤，黃明，吉祥
（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京，100144）

在智能小車的控制系統(tǒng)中嵌入語音識(shí)別技術(shù)后，控制者可以用語音控制智能小車，這是多功能、綜合控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文選用安卓平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)語音識(shí)別模塊，將識(shí)別后的信號(hào)通過藍(lán)牙進(jìn)行通信；控制端選用安卓手機(jī)，其傳輸數(shù)據(jù)到受控端的藍(lán)牙模塊，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的控制；在程序控制上，安卓平臺(tái)和受控單片機(jī)分別選用App Inventor2和Arduino進(jìn)行編程。本文對(duì)開發(fā)者頗具指導(dǎo)意義。

語音識(shí)別；安卓手機(jī)；藍(lán)牙通信；智能小車；App Inventor2；Arduino

引言

若在智能小車的設(shè)計(jì)中融入語音識(shí)別技術(shù)，便可以通過語音控制來進(jìn)行人機(jī)交互，讓小車實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)動(dòng)作［1］。隨著智能手機(jī)迅速發(fā)展，基于安卓手機(jī)系統(tǒng)的語言識(shí)別技術(shù)來控制智能小車［2］，可讓控制系統(tǒng)更加方便實(shí)用，使小車如同聽懂指令一般的實(shí)現(xiàn)語音駕駛的功能，在自動(dòng)控制類的產(chǎn)品市場中具有發(fā)展前景。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)通過編寫安卓應(yīng)用程序進(jìn)行語音識(shí)別，對(duì)識(shí)別后的語音信號(hào)進(jìn)行處理后，通過藍(lán)牙通信傳輸給小車。當(dāng)智能小車接受信息后進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)基本的行動(dòng)和不同應(yīng)用情況下的特定功能。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框架

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1語音識(shí)別端選擇

語音識(shí)別部分可供選擇的方案較多。大多相關(guān)的研究均以凌陽單片機(jī)SPCE061A來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別［3］，雖然具有語言識(shí)別功能，但其使用較為繁瑣，資源有限，不便于本系統(tǒng)開發(fā)；除此之外，PC和手機(jī)端的微軟Windows系統(tǒng)集成的語音識(shí)別功能，雖理論上能用于本系統(tǒng)，可試用之后發(fā)現(xiàn)識(shí)別效果不佳。相比之下，筆者在此選用了安卓手機(jī)作為語音識(shí)別的硬件基礎(chǔ)，因?yàn)槠洮F(xiàn)如今使用普遍，且安卓平臺(tái)開源，可移植性好。加之，安卓應(yīng)用平臺(tái)相關(guān)的語音識(shí)別軟件頗多，它們識(shí)別度精準(zhǔn)、識(shí)別效果頗佳，語音識(shí)別范圍及數(shù)量較上述兩種方案有極大的增加，更省去了繁瑣的語音訓(xùn)練過程，更符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］。

2.2無線傳輸-藍(lán)牙通信

由于在語音識(shí)別端選擇了安卓手機(jī)作為人機(jī)交互的語音輸入，比較合適的便是用藍(lán)牙通信來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。因?yàn)槭謾C(jī)內(nèi)部已集成藍(lán)牙模塊，調(diào)用方便，并且藍(lán)牙傳輸本身優(yōu)點(diǎn)突出，如抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、低功耗、低成本等特點(diǎn)，更利于本系統(tǒng)的控制。

在受控端藍(lán)牙接收方面選擇了集成度高，使用方便的HC-0305模塊，此模塊可按需求切換主從機(jī)，波特率可調(diào)，符合本系統(tǒng)的需求。

2.3智能小車主控單片機(jī)

主控單片機(jī)在本系統(tǒng)主要起：1.接受通過手機(jī)藍(lán)牙傳遞過來的命令；2.處理命令讓小車實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的動(dòng)作。在此選擇了設(shè)計(jì)小巧，功能完善的AVR單片機(jī)ATmega8A，因?yàn)榭蓪⑵浜侠淼牟季衷谛≤嚿希挥X突兀且不會(huì)增加太多小車的負(fù)重。

2.4小車組件

小車由底盤、舵機(jī)、電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組裝而成，在此筆者選用了具有較高性能的飛思卡爾競賽專用智能小車組件，以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

舵機(jī)選用的是杜曼遙控模型公司的微型舵機(jī)伺服器DM-S0160，可由PWM信號(hào)的占空比來控制舵機(jī)的位置。舵機(jī)適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，小車的轉(zhuǎn)向前輪就是很好的應(yīng)用。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用RS-380SH直流伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度同樣受PWM信號(hào)占空比的控制，擁有良好的可調(diào)性，非常適合小車在各種條件下的速度要求。

驅(qū)動(dòng)板用的是雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板L298N，此驅(qū)動(dòng)板體積小，重量輕，具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力。它擁有2A的峰值電流和46V的峰值電壓，兩路直流電機(jī)接口和四線兩相步進(jìn)電機(jī)接口，非常適用于智能小車的電機(jī)控制。

2.5系統(tǒng)供電

系統(tǒng)需要供電主要是受控端的單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)板、舵機(jī)和電機(jī)。在此選用了7.2V，2000mAh的鎳鎘充電電池供電，將其安裝在小車上可為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)板直接供電。7.2V電壓通過驅(qū)動(dòng)板便可為小車的舵機(jī)和電機(jī)正常供電。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1安卓應(yīng)用實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別

筆者編寫的安卓應(yīng)用程序在本系統(tǒng)的主要功能是：1.實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別功能；2.處理語音信號(hào)進(jìn)行傳輸。

在語音識(shí)別部分，筆者通過調(diào)用科大訊飛公司的安卓應(yīng)用（訊飛語音+）來完成相應(yīng)的功能。因?yàn)橛嶏w語音+能夠?yàn)榈谌綉?yīng)用提供訊飛強(qiáng)大的語音服務(wù)，包括語音合成、語音識(shí)別、語義理解，不僅能做到中文語音識(shí)別，同時(shí)也能通過英文識(shí)別控制，甚至各種方言。第三方應(yīng)用只需要調(diào)用訊飛語音標(biāo)準(zhǔn)接口就可以使用這些服務(wù)。最主要的原因正如上文所提及：其識(shí)別度精準(zhǔn)、識(shí)別效果拔群，對(duì)本系統(tǒng)的開發(fā)有著極其重要的幫助。

在藍(lán)牙通信部分，本程序通過調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙，并連接受控端上的HC-0305藍(lán)牙模塊傳輸控制命令。

在安裝此應(yīng)用后，任何一臺(tái)安卓手機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的語音控制，不拘泥于某臺(tái)特定的設(shè)備，具有較好的移植性和通用性。

3.2受控端單片機(jī)控制智能小車

受控端部分需要用到AVR單片機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、定時(shí)器進(jìn)行PWM波輸出和IO口進(jìn)行高低電平輸出，以此來接受藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并控制小車。程序基本思路如圖2所示。

4　方案創(chuàng)新點(diǎn)

值得一提的是，筆者在本系統(tǒng)的編程方式上的選擇頗具有教育意義，非常適合中小學(xué)生以及無相關(guān)編程背景知識(shí)的愛好編程人士，來進(jìn)行相關(guān)程序的開發(fā)。

首先，在安卓應(yīng)用的編程環(huán)境選擇上，筆者選用的是MIT開發(fā)的圖形化編程軟件App Inventor2［5］。部分程序解釋如下：

①定義變量

②配置手機(jī)藍(lán)牙并連接外部藍(lán)牙設(shè)備

③調(diào)用訊飛語音識(shí)別功能，處理識(shí)別后的信息并用藍(lán)牙發(fā)送

④調(diào)用手動(dòng)操作界面

由上面的圖形化編程的程序可見，想要編寫出簡單實(shí)用的安卓應(yīng)用程序也并非遙不可及。只要我們肯鉆研，沒有安卓或Java的編程基礎(chǔ)，編出一個(gè)類似于本系統(tǒng)的控制程序也不是問題。

其次，在選擇受控端AVR單片機(jī)的編程環(huán)境上，也秉承著簡練原則，通過使用庫函數(shù)極其豐富的Arduino進(jìn)行編程［6］。這在保證系統(tǒng)的功能完整實(shí)現(xiàn)的前提下，大大縮短了整個(gè)開發(fā)的周期。Arduino的語言也正如上文所說：簡潔、易懂，能讓沒有C語言編程基礎(chǔ)或剛開始學(xué)習(xí)的學(xué)生快速上手。值得關(guān)注的是，它與App Inventor2有著異曲同工之妙：在節(jié)約了開發(fā)者的時(shí)間精力的同時(shí)，還增加了著更加優(yōu)秀的教育意義。

5　系統(tǒng)測(cè)試

藍(lán)牙通信成功建立之后，說出指定的語音命令，安卓應(yīng)用程序便可準(zhǔn)確的識(shí)別出所說的語音信號(hào)，并傳輸給智能小車進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。程序部分測(cè)試如圖3所示。

圖3　程序部分測(cè)試

在分別說出預(yù)設(shè)的（前進(jìn)、后退、加速、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行）語音命令后，安卓應(yīng)用均能準(zhǔn)確地識(shí)別出命令并傳輸給小車實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表2　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了避免突發(fā)情況下的語音識(shí)別功能無法正常工作，筆者還給系統(tǒng)加入了手動(dòng)控制的功能，可在主程序界面進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。操作界面如圖4所示。

圖4　操作界面和實(shí)物展示

6　結(jié)束語

從整個(gè)系統(tǒng)的搭建上來說，用安卓平臺(tái)作為人機(jī)交互端來進(jìn)行開發(fā)，是個(gè)很新穎的抉擇。因?yàn)榘沧科脚_(tái)資源豐富、移植性強(qiáng)、開發(fā)方便且功能強(qiáng)大，主要還省去了昂貴的硬件開發(fā)費(fèi)用，卻更好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的功能，使得整個(gè)系統(tǒng)看起來精致小巧卻功能齊全。

從編程方式來說，選擇圖形化編程軟件App Inventor2以及語言簡單易懂的Arduino編程環(huán)境，讓整個(gè)系統(tǒng)在完善的基礎(chǔ)上還擁有了一般相關(guān)研究所不具備的教育意義。

當(dāng)然，由于研究的時(shí)間有限，筆者雖實(shí)現(xiàn)了語音識(shí)別控制小車的基本系統(tǒng)功能，卻只涉足了語音識(shí)別控制系統(tǒng)這個(gè)領(lǐng)域的冰山一角。不可否認(rèn)的是，通過這樣一個(gè)創(chuàng)新的思路，確為今后的語音識(shí)別控制系統(tǒng)的研究開拓了嶄新的天地，在語音識(shí)別精度與廣度的提高上及其系統(tǒng)控制方法的領(lǐng)域中添上了新的一筆。

致謝：本課題受到大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目、北方工業(yè)大學(xué)學(xué)生科技活動(dòng)項(xiàng)目的資助與支持。

［1］李紅霞，羅琪翔.語音控制的智能小車的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015， 28（8）: 143-146.

［2］李新科，高潮，郭永彩，何衛(wèi)華.基于語音識(shí)別和紅外光電傳感器的自循跡智能小車設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（12）:105-108.

［3］王和順，黃惟公，鄧成中.基于SPCE061A的語音識(shí)別系統(tǒng)的研究〔J〕.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004， 25（12）: 2222-2224.

［4］Sarbjeet Singh， Sarbjeet Singh， MandeepKour， MandeepKour. Voice Recognition in Automobiles［J］. International Journal of Computer Applications，2010，6（6）:7-11.

［5］黃仁祥，金琦，易偉.人人都能開發(fā)安卓APP［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.11.

［6］LawrenceRabiner， Biing-Hwang Juang. Fundamentals of Speech Recognition［M］. Prentice Hall， 1993.

蔣澤潤（1994-），本科。研究方向：模擬小信號(hào)采集及嵌入式控制系統(tǒng)。

黃明（1977-），北方工業(yè)大學(xué)講師。研究方向：寬帶模擬小信號(hào)采集及處理。

吉祥（1996-），本科。研究方向：寬帶小信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Design Intelligent Car of Speech Recognition Control basis on Arduino System

ZerunJiang， MingHuang， XiangJi
（Northern Industrial University Electronic Information Engineering College， Beijing， 100144， China）

In the control system of intelligent car embedded speech recognition technology， the controller can use voice control intelligent car.This is the development direction of multi-functional， comprehensive control system.This article selected the Arduino platform for development， designed the speech recognition module，thenidentifyed the signal through the bluetooth communication. ChoosingArduino control end，ittransmited data in other to control the bluetooth module， finally realized the control of the smartcar.On the process control， the Arduino platform and controlled microcontroller was programedby Inventor2 and ArduinoApp.This paper has theguidefor developers.

Speech Recognition； Android Mobile Phone； BluetoothCommunication； SmartCar； App Inventor2；Arduino

TP311

A

2095-8412 （2016） 03-354-04