基于Android手機(jī)語音和Arduino控制板的機(jī)器人控制系統(tǒng)

謝杰騰　顏曉文

摘 要：隨著Android終端的發(fā)展，為了讓機(jī)器人的控制更加方便和人性化，提出以Android終端為研究重點(diǎn)，應(yīng)用藍(lán)牙通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)無線控制機(jī)器人運(yùn)動的方案。首先，利用Google開源的語音識別平臺來設(shè)計(jì)機(jī)器人控制軟件語音識別部分。其次，機(jī)器人的控制系統(tǒng)是用Ardunio控制板來驅(qū)動機(jī)器人的舵機(jī)，為了控制機(jī)器人的多個關(guān)節(jié)，將Arduino控制板和32路舵機(jī)控制板結(jié)合起來，這樣能控制更多的舵機(jī)從而達(dá)到對機(jī)器人的雙臂和雙足的控制。最后，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)和Arduino控制板之間的藍(lán)牙配對連接。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人地實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人控制；Arduino ；Android ；語音識別 ；藍(lán)牙

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

能夠用語音與機(jī)器進(jìn)行交流，讓機(jī)器明白你說什么，這是人們長期以來夢寐以求的事情。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了語音識別技術(shù)，這使人類的這個理想逐漸得以實(shí)現(xiàn)。本文以Android智能機(jī)和Arduino開發(fā)板為實(shí)現(xiàn)工具，結(jié)合家用仿人機(jī)器人平臺，搭建好完整的語音識別控制系統(tǒng)，用戶利用安卓手機(jī)提供的麥克風(fēng)語音命令，輸入語音信號經(jīng)處理、識別，得出結(jié)果作用于服務(wù)機(jī)器人的行動動作，從而提供一種高效的、穩(wěn)定的、實(shí)用性強(qiáng)的、高識別率的語音控制服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文介紹的語音控制機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)包括安卓智能手機(jī)、Arduino主控制板、32路伺服舵機(jī)控制板以及機(jī)械系統(tǒng)四大部分組成。其中安卓手機(jī)不但充當(dāng)采集語音信號的作用和將采集完的的語音信號發(fā)送到谷歌語音云平臺進(jìn)行識別，并將識別的語音結(jié)果返回，而且還充當(dāng)發(fā)送控制標(biāo)志位的角色。對于機(jī)器人的控制界面是運(yùn)行在安卓操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，該程序是利用eclipse和安卓插件搭建的平臺而開發(fā)出來的，通過在安卓操作系統(tǒng)的手機(jī)運(yùn)行調(diào)試應(yīng)用程序，直到達(dá)到滿意的效果?？傮w框架圖如圖1所示。

2 分析及設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件控制部分由Arduino Mega2560和奧松公司的32路伺服電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器臂的控制。通過Arduino控制板外接外部傳感器可以檢測外部的環(huán)境參數(shù)，另外，為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的通信，利用Arduino控制板的串口外接RB Bluetooth Transceive藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，利用該模塊可以將藍(lán)牙信號轉(zhuǎn)換成串口信號。軟件控終端用的是三星手機(jī)GTi8150，該手機(jī)的操作系統(tǒng)是Android 2.3版本。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)的通信部分涉及到三部分：第一處是安卓手機(jī)通過GPRS信號和谷歌云平臺的通信，該通信遵守GPRS通信的協(xié)議。第二處是安卓手機(jī)和控制板之間的通信，此處利用的是藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)二者之間的無線通信，這里主要是從手機(jī)發(fā)送機(jī)器人的動作控制標(biāo)志位給主控制板。第三處則是舵機(jī)控制板和主控板之間通過串口的通信，其通信遵守串口的通信協(xié)議，這里主要是主控板將機(jī)器人的動作指令根據(jù)觸發(fā)的控制標(biāo)志位來發(fā)送給舵機(jī)控制板指令。

本系統(tǒng)的舵機(jī)控制板主要負(fù)責(zé)給各個舵機(jī)提供電源和解析發(fā)送過來的動作指令來控制舵機(jī)的目的。因?yàn)闄C(jī)器人的動作指令是根據(jù)舵機(jī)控制板的軟件生成的，生成指令是通過USB轉(zhuǎn)串口將PC和舵機(jī)控制板連接，而舵機(jī)則跟舵機(jī)控制板連接，當(dāng)連接成功后，就可以通過軟件控制和調(diào)節(jié)各個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。同時(shí)要注意動作完成時(shí)間參數(shù)的調(diào)節(jié)，這個影響到舵機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。調(diào)節(jié)逐個舵機(jī)來對機(jī)器人的動作步調(diào)來進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃完成則保存相應(yīng)的指令，并編寫程序?qū)崿F(xiàn)對該arduino主控板的控制。所以這里舵機(jī)控制板能夠根據(jù)發(fā)送過來的動作指令來控制機(jī)器人的動作。

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩部分，一部分是安卓系統(tǒng)上的控制程序的設(shè)計(jì)，包括語音識別的控制和手動按鍵的控制，另外一部分是Arduino控制板中程序的設(shè)計(jì)。

安卓系統(tǒng)端軟件的設(shè)計(jì)主要是利用手機(jī)的麥克風(fēng)功能實(shí)現(xiàn)語音的輸入，并且通過谷歌的語音引擎來實(shí)現(xiàn)對輸入語音的識別，該系統(tǒng)軟件語音識別部分流程如圖2所示。

當(dāng)換成手動輸入時(shí)，直接根據(jù)相應(yīng)的按鍵發(fā)送相應(yīng)的觸發(fā)標(biāo)志到Arduino控制板。本系統(tǒng)的特色主要是實(shí)現(xiàn)語音的控制。

Arduino控制板端的程序主要是根據(jù)手機(jī)端發(fā)送過來的信號來發(fā)送相應(yīng)的指令給舵機(jī)控制板來控制機(jī)器臂，其Arduino控制端程序流程圖如圖3所示。

圖2 語音識別編程流程圖 圖3 Arduino控制端程序流程圖

手機(jī)端控制系統(tǒng)是基于Android 2.1系統(tǒng)所編寫的，所用開發(fā)工具為Eclipse集成開發(fā)環(huán)境，Eclipse是著名的跨平臺的自由集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。最初主要用來Java語言開發(fā)，但是目前亦有人通過插件使其作為其他計(jì)算機(jī)語言比如C++、Python和Android的開發(fā)工具，在此開發(fā)環(huán)境下開發(fā)軟件非常的方便。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)手機(jī)端軟件的程序界面，為了盡快實(shí)現(xiàn)程序的功能，本程序沒有對軟件界面設(shè)計(jì)做特別美化的設(shè)計(jì)，僅包含我們所用到的幾個按鈕和圖形顯示，以實(shí)現(xiàn)我們的功能為最大目標(biāo)，設(shè)計(jì)手機(jī)端控制界面如圖4所示。

3 測試與試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)組裝并調(diào)試，測試該系統(tǒng)，控制的機(jī)器人如圖5所示，通過安卓手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制，通過觸擊按鍵或者語音的輸入來對每組命令進(jìn)行循環(huán)測試?？梢暂斎氲恼Z音命令有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、擁抱、敬禮、叉腰、招手等動作。

具體測試步驟：

連接好線路，打開電源，觀察知識點(diǎn)正常亮起，觸擊控制界面的藍(lán)牙連接按鈕，觀察指示燈，以確保手機(jī)藍(lán)牙和Arduino開發(fā)板的配對連接成功。否則，得檢查系統(tǒng)的連接是否正確。

圖4 手機(jī)端控制界面 圖5 機(jī)器人

藍(lán)牙配對連接成功后，先測試手動操作是否成功，分別觸擊前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止按鈕，觀測機(jī)器人是否根據(jù)對應(yīng)的指令做相應(yīng)的運(yùn)動。循環(huán)測試多次，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

測試完手動操作按鈕之后，接下來測試語音控制的輸入，觸擊語音輸入控制按鈕，會出來一個虛擬的麥克風(fēng)，對著手機(jī)話筒說出前進(jìn)，后退等控制命令，觀測機(jī)器人是否能夠根據(jù)你的語音來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。循環(huán)測試多次，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

最后試驗(yàn)分析，該控制程序能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)都機(jī)器人運(yùn)動的控制，達(dá)到了預(yù)訂的目標(biāo)和效果。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)手機(jī)和Arduino控制板的機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過接收人的語音或者按鍵來操作機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，采用安卓智能手機(jī)來進(jìn)行語音的處理和谷歌云平臺對語音的識別，利用藍(lán)牙來進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，舵機(jī)控制板軟件規(guī)劃出機(jī)器人的各種動作并且生成的動作指令，最后由控制板來實(shí)現(xiàn)完成該相應(yīng)的動作。利用了藍(lán)牙無線通信，擺脫有線困擾，使得系統(tǒng)有廣泛的適用范圍。

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