基于語音識別的雙足機(jī)器人行走控制系統(tǒng)設(shè)計

陳益+吳寶春+孟歡+韓飛+王慧磊

摘 要：文中詳細(xì)介紹了雙足機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。本系統(tǒng)以STM32控制器為核心，應(yīng)用三軸加速度傳感器、語音傳感器模塊及舵機(jī)控制器實現(xiàn)對雙足機(jī)器人行走的控制；通過三軸加速度傳感器實現(xiàn)機(jī)器人行走過程中質(zhì)心軌跡信息的采集，并將相應(yīng)的質(zhì)心軌跡信息作為舵機(jī)控制的反饋信號，從而實現(xiàn)機(jī)器人按照特定語音實現(xiàn)多種姿態(tài)的平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；語音控制；質(zhì)心軌跡；STM32

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0051-02

0 引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人如今已風(fēng)靡全球，并滲透到各行各業(yè)，時刻影響著我們的生活。機(jī)器人由于具有良好的市場發(fā)展前景和重大的科學(xué)研究利用價值，使得全世界的國家都在這一熱門領(lǐng)域中投入了大量的人力、物力以及財力。我國作為世界上第一大機(jī)器人消費(fèi)市場，對這一智能化領(lǐng)域十分重視。我國正制定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃，推進(jìn)全國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究中的一個熱門方向。它模仿人類的行走方式，通過對自身的雙腳進(jìn)行類似運(yùn)動從而達(dá)到行走的目的。在近十年的發(fā)展過程中，雙足機(jī)器人的研究發(fā)展迅猛，如2015年的全國機(jī)器人大會上那些能獨(dú)立行走、與人交談的各類機(jī)器人；日本軟銀大會上與人互動的“Pepper”機(jī)器人等。這些機(jī)器人都標(biāo)志著人們對機(jī)器人的無限熱情與期待，智能化時代已經(jīng)到來，人類的明天會更加美好。

本文主要針對雙足機(jī)器人行走控制進(jìn)行了分析與研究，以STM32控制器為核心，采用三軸加速度傳感器檢測行走過程的質(zhì)心軌跡信息，通過信息反饋及時矯正行走姿態(tài)；結(jié)合語音傳感器實現(xiàn)對特定語音的識別，從而控制雙足機(jī)器人實現(xiàn)多種運(yùn)行狀態(tài)；多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用，提高了整個系統(tǒng)的可靠性，保證了雙足機(jī)器人平穩(wěn)的運(yùn)行姿態(tài)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于人們?nèi)缃竦纳钏胶退枷刖辰缍荚诓粩嗵岣?，這使得事物的可視化、直觀展現(xiàn)成為必要。因此，通過傳感器完成數(shù)據(jù)采集，經(jīng)各模塊互相通信，由微處理器進(jìn)行處理，以視覺的形式展現(xiàn)某些結(jié)果，最終形成人機(jī)交互便成為研究設(shè)計的一大趨勢。

本文控制系統(tǒng)主要由核心控制器STM32模塊、傳感器（加速度傳感器和語音傳感器）、信號采集模塊、舵機(jī)控制器以及液晶顯示組成。利用STM32自帶的兩個串口功能分別與語音傳感器和舵機(jī)控制器通信，實現(xiàn)語音識別及舵機(jī)控制等功能。通過其自帶的ADC轉(zhuǎn)換模塊對三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與處理，將其質(zhì)心軌跡以圖形化的形式顯示到LCD上，并將相應(yīng)的質(zhì)心軌跡信息作為舵機(jī)控制的反饋信號，根據(jù)質(zhì)心軌跡的狀態(tài)，通過舵機(jī)控制器及時調(diào)整舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行，實現(xiàn)了對機(jī)器人姿態(tài)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

2 質(zhì)心軌跡檢測

本文采用高精度三軸加速度傳感器MMA7361L實現(xiàn)角度測試，其核心算法是建立輸出電壓和角度之間的函數(shù)映射關(guān)系。以MMA7361L傳感器X軸方向的傾角計算為例，取傳感方向X軸與重力加速度g垂直時的狀態(tài)為零傾斜角度，當(dāng)傾角為θ時，X軸方向傾角測量原理圖如圖3所示。

傳感X軸方向的重力加速度分量g （θ）=g·sin（θ），當(dāng)θ→0時，有：

（1）

從上式可以看出，當(dāng)傾斜角θ為一個小角度時，其角度的變化率（即導(dǎo)數(shù)）越大并趨向于g時有助于提高小角度測量的分辨率。因此該零傾斜角度的選擇方式有助于小角度的精確測量。由于傳感器的加速度分量與其電壓成正比，且精度是800 V/g，因此傾角為：

（2）

因此，我們通過三軸加速度傳感器可以對雙足機(jī)器人的運(yùn)動質(zhì)心狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

首先通過ARM處理器對MMA7361L模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)存儲在ARM的內(nèi)存中，并取多次平均值以保證其正確性，將結(jié)果代入公式（2）對角度進(jìn)行換算，并將檢驗結(jié)果與最大質(zhì)心偏離角對比，若大于該值，則讓ARM發(fā)送矯正指令，使機(jī)器人停止運(yùn)動，返回上一姿態(tài)，以保證其穩(wěn)定性。與此同時，通過相應(yīng)的變換將角度值變換為LCD坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因為LCD已提前建立以時間為X軸，偏離角為Y軸的坐標(biāo)軸，將數(shù)據(jù)填充進(jìn)去后，反復(fù)多次便可得到機(jī)器人行走過程中的質(zhì)心軌跡圖。

3 語音控制

人類與機(jī)器進(jìn)行語音交流，讓其明白我們的意圖并給予回應(yīng)，這是人類夢寐以求的事情，也是科學(xué)進(jìn)步發(fā)展的趨勢。要讓機(jī)器人聽懂人類的意思，就需要一個“聽覺系統(tǒng)”，即語音識別。

本文采用語音識別集成控制模塊ASRM08-A，該模塊包含語音采集、前級處理、語音訓(xùn)練、語音識別、語音輸出等電路，具有體積小、操作簡單、識別度較高、串口通信等優(yōu)點。其基本原理如圖5所示，將外部語音信號通過ADC進(jìn)行采集，然后進(jìn)行一系列的處理，通過線性預(yù)測（LPC）參數(shù)提取出其相應(yīng)的特征，之后將提取的語音特征矢量參數(shù)與參考模式庫中的模式進(jìn)行相似性度量比較，并結(jié)合一定的判別規(guī)則和專家知識得出最終的識別結(jié)果，以呈現(xiàn)好的人機(jī)交互界面。

本文通過ASR M08-A模塊對外界環(huán)境產(chǎn)生的語音信號進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)外界有“走路”、“跳舞”之類的特定語音信號產(chǎn)生時，模塊就會接收這個語音信號并進(jìn)行采集、特征提取、比較與匹配。其內(nèi)部可以人為的存儲一些語音指令信息，若該語音信號與初始設(shè)置的語音指令一致時，如01，zou lu，001，$表示若收到“走路”這條語音信息后，便通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)“01”作為標(biāo)志，提示用戶外界的語音信息是“走路”。所以此時其自帶的串口便輸出一個對應(yīng)的值， ARM處理器檢測串口接收的數(shù)據(jù)信息，分析判斷后執(zhí)行相應(yīng)的指令，讓機(jī)器人做出相應(yīng)的動作。

4 結(jié) 語

本文研究了一種以ARM處理器、三軸加速度傳感器和舵機(jī)控制器為一體的機(jī)器人系統(tǒng)控制方法，通過對雙足機(jī)器人的行走步伐進(jìn)行規(guī)劃并以質(zhì)心軌跡為反饋信號來檢測相應(yīng)的行走狀態(tài)，最終以人性化語音指令來控制雙足機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定行走。實驗結(jié)果表明，質(zhì)心軌跡檢測方法能讓雙足機(jī)器人按照特定的語音實現(xiàn)較為穩(wěn)定的運(yùn)行，具有一定的市場價值和實用性，為后續(xù)雙足機(jī)器人控制的深入研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

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