基于紅外光電傳感器和語音識別技術(shù)的智能循跡小車設(shè)計(jì)

張 兢，王 猛，李成勇，李雪梅，徐 偉

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，智能小車被廣泛應(yīng)用于科學(xué)探索、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。目前，智能小車多采用CCD圖像傳感器獲取路徑信息，雖控制精確、前瞻距離遠(yuǎn)，但成本較高，且數(shù)據(jù)處理算法復(fù)雜。紅外反射式光電傳感器具有控制簡單、數(shù)據(jù)處理方便、成本低、安裝靈活及不受可見光干擾等特點(diǎn)，完全適于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求［1-3］。本文采用紅外反射式光電傳感器獲取路徑信息，結(jié)合語音識別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有語音控制功能的自主循跡智能小車。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能小車以凌陽SPCE061A單片機(jī)為處理核心。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、路徑識別模塊、車速檢測模塊、語音識別控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及液晶顯示模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊給系統(tǒng)各個(gè)模塊提供所需電壓。路徑識別模塊獲取前方路徑信息，以供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。處理后的信息由單片機(jī)采用一定的控制算法，控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以調(diào)整小車行駛方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)小車對路徑的自主循跡。語音識別控制模塊根據(jù)單片機(jī)的語音處理功能對小車進(jìn)行語音控制。車速檢測模塊與液晶顯示模塊分別檢測與顯示當(dāng)前車速。

1.1 電源模塊

智能小車采用7.2 V的鎳鉻電池供電。由于電路中各模塊所需電壓不同，電源模塊需包含多個(gè)穩(wěn)壓電路將電池電壓轉(zhuǎn)換成各模塊所需電壓。系統(tǒng)直流電機(jī)和舵機(jī)直接用7.2 V電源供電。采用LM2940穩(wěn)壓芯片將電源電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，給SPCE061A單片機(jī)、紅外光電傳感器、車速檢測模塊、液晶顯示模塊供電。

1.2 路徑識別模塊

單片機(jī)通過路徑識別模塊采集路徑信息，以實(shí)現(xiàn)小車的自循跡功能。系統(tǒng)采用RPR220型紅外反射式光電傳感器獲取路徑信息，光電傳感器工作時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，當(dāng)遇到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射，紅外接收管收到反射回的紅外線較強(qiáng);當(dāng)遇到黑色標(biāo)志線時(shí)，黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光，紅外接收管收到反射回的紅外線強(qiáng)度就很弱［4-6］。利用紅外光電傳感器檢測路徑上的黑色標(biāo)志線，就可以控制小車的自主循跡。

傳感器是以輸出高、低電平來表示白色路面和黑標(biāo)志線的，其輸出的模擬信號需經(jīng)電壓比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的高、低電平，再輸入單片機(jī)進(jìn)行離散控制。本設(shè)計(jì)以輸出低電平表示傳感器檢測到白色路面，以輸出高電平表示傳感器檢測到黑色標(biāo)志線，其電路原理如圖2所示。

圖2 紅外光電傳感器電路原理

該智能小車傳感器安裝位置未采用常見的一字排開、多傳感器等間距置于小車前方的方式，而是以小車底盤為中心，設(shè)計(jì)了內(nèi)外2層各4個(gè)傳感器，每層的4個(gè)傳感器對應(yīng)中心的4個(gè)方向:前、后、左前方、右前方。傳感器與地面成一定夾角，提高了前瞻距離;以掃描方式可獲得2次路徑信息，提高了測量精度。

1.3 車速檢測模塊和液晶顯示模塊

小車的行駛速度是其在彎道和直道上平穩(wěn)運(yùn)行的重要保證，該系統(tǒng)將均勻分布的黑白相間編碼盤粘貼在后輪減速齒輪上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用RPR220型紅外反射式光電傳感器對旋轉(zhuǎn)的黑白條紋進(jìn)行檢測，檢測到的信號經(jīng)放大處理后由單片機(jī)進(jìn)行高、低電平計(jì)數(shù)處理，從而計(jì)算出小車行駛速度。

液晶顯示模塊用來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車速，系統(tǒng)采用 LCD1602 顯示數(shù)據(jù)［7］。

1.4 語音識別控制模塊

SPCE061A單片機(jī)具有強(qiáng)大的語音處理功能，不需要專門的語音控制芯片就能實(shí)現(xiàn)對語音的編碼、解碼［8］，其片上具有連接麥克風(fēng)的 MICP和MICN兩個(gè)引腳端口。MICP和MICN將隨麥克風(fēng)輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形，并在SPCE061A的2個(gè)端口處形成2路相反的波形，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算放大器放大后，通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并保存到相應(yīng)的寄存器中，此時(shí)可通過單片機(jī)編程對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行語音數(shù)據(jù)壓縮、語音識別樣本處理等。

音頻輸出主要由SPY0030A功率放大器組成，它的輸入端輸入的音頻電壓信號來自于單片機(jī)內(nèi)部DAC的輸出端，它的輸出端可外接揚(yáng)聲器等播放設(shè)備，其增益大小可通過調(diào)節(jié)電阻器的阻值來實(shí)現(xiàn)［9］。

1.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

智能小車采用4輪結(jié)構(gòu)，前2個(gè)車輪由前輪電機(jī)控制，在連桿和支點(diǎn)作用下控制前輪的左右擺動(dòng)，以調(diào)整小車的前進(jìn)方向。前輪驅(qū)動(dòng)電路可控制前輪電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。后2個(gè)車輪由后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為整個(gè)小車提供動(dòng)力。后輪驅(qū)動(dòng)電路可控制后輪電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)、后退或停止。小車前輪和后輪驅(qū)動(dòng)電路相同，都為全橋驅(qū)動(dòng)電路，其電路原理如圖3所示。

圖3 全橋驅(qū)動(dòng)電路原理

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)PWM輸出模塊和普通I/O模塊，根據(jù)系統(tǒng)需求，對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化配置，以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能。主程序流程如圖4所示。

2.2 語音識別控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用SPCE061A單片機(jī)的可編程音頻處理功能和音頻壓縮算法，調(diào)用和編寫應(yīng)用程序接口API函數(shù)，達(dá)到語音識別控制的目的［10］。當(dāng)發(fā)出前進(jìn)命令時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的IOB口輸出高電平，控制繼電器使傳感器供電電路導(dǎo)通;當(dāng)為停車命令時(shí)，IOB接口輸出低電平，傳感器電源關(guān)閉，小車停止運(yùn)動(dòng)。語音識別控制流程如圖5所示。

圖4 主程序流程

圖5 語音識別控制流程

3 結(jié)束語

本文基于紅外光電傳感器和語音識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對智能小車的自循跡和語音控制。在硬件設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)和串行連接方式，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性。在軟件部分采用C語言編寫程序，具有良好的可讀性與可維護(hù)性。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可用于智能輪椅、智能玩具、無人駕駛機(jī)動(dòng)車等。

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