基于DSP和TDE算法的智能聲控垃圾桶設計

王勇+王梨英

摘要：智能家居系統(tǒng)得到越來越廣泛的應用，但是在家居系統(tǒng)中的垃圾桶，暫時還沒有實現(xiàn)智能化設計，在行動不便或老弱群體使用過程中存在諸多不便。該文基于DSP硬件平臺和TDE算法，設計了一款智能聲控垃圾桶裝置。在硬件設計中，主要完成了聲音識別模塊、聲源定位模塊、四輪電機驅(qū)動模塊以及避障模塊；軟件設計主要采用延時估計法（Time Delay Estimation，TDE），在此基礎上，完成了特定語音識別算法、聲源定位算法與方位估計，設計完成后，設計了六個垃圾桶站位置，通過控制，對用戶與垃圾桶中軸的角度和偏移距離以及語音指令進行實驗，反應靈敏，精確度高，能實現(xiàn)“隨叫隨到”，具有良好的應用前景。

關鍵詞：智能家居；延時估算；聲源定位；語音識別

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）29-0170-02

Abstract： Home Furnishing intelligent system has been more and more widely used， but in the Home Furnishing system in the trash， no intelligent design， there are a lot of inconvenience in action or inconvenience in the process of using the old and infirm. Based on DSP hardware platform and TDE algorithm， this paper designs an intelligent sound control garbage can device. In the hardware design， mainly to complete the voice recognition module， sound source positioning module， four wheel motor driving module， obstacle avoidance module； software design mainly uses time delay estimation method （Time Delay Estimation， TDE）， on this basis， completed the estimation of specific speech recognition algorithm， sound source localization algorithm and range， after the completion of the design six， design a trash station position， through the control of the user， and the trash axis angle and offset distance and voice commands for experiment， sensitive reaction， high accuracy， can achieve "on call"， has good application prospects.

Key words： Smart home， time delay estimation， source localization， speech recognition

智能家居系統(tǒng)越來越受到人們的青睞，家居系統(tǒng)已經(jīng)向智能化、科學化和人性化發(fā)展。家居系統(tǒng)中一個比較容易疏忽的垃圾處理桶，一般情況下固定、或特定設置在某些地方，但是如果考慮到老人、孕婦或者有殘疾的病人在處理時，存在諸多不便，設計一款可以語音控制的垃圾桶，則顯得尤為重要?；诖?，本文基于DSP硬件平臺和TDE算法，設計了一款智能聲控垃圾桶裝置，當有人需要扔垃圾時，只要通過語音則可以控制垃圾桶，準確到達需要垃圾桶到達的位置，從而實現(xiàn)給不方便人群帶來極大的便利。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。其工作原理是：首先語音識別模塊語音命令，識別后會通過聲源模塊確定發(fā)聲者的定位，然后通過DSP發(fā)出電機驅(qū)動信號驅(qū)動垃圾桶向聲源方向前進，系統(tǒng)設置有避障系統(tǒng)，會左右轉(zhuǎn)，直到到達目的地。

2 軟件算法設計

軟件算法中，最核心的問題是語音識別和識別后對聲源的準確定位問題。其中包括各傳聲器與聲源之間在傳輸過程中的時間誤差計算以及根據(jù)聲源定位后，垃圾桶在到達聲源目的地過程中的軌跡航道誤差計算兩大問題。

2.1 TDE算法

設計的環(huán)境不可能是一個完全沒有任何噪聲的環(huán)境，選取兩個傳聲器和一個聲源作為研究對象，假設兩傳聲器之間的距離為d，設聲波從聲源到傳聲器的衰減系數(shù)分別為，環(huán)境噪聲信號分別用函數(shù)表示，則兩傳聲器接受到的信號和為：

2.2 方位估計

拾音器通過接收信號產(chǎn)生的時間差，可以測到聲源偏離主軸的角度θ。具體計算如下：

由圖2可得：

線段AB的距離是設定值，聲速已知，時延可由TDE算法中的式（1）～（3）算出，因而可求得聲源偏移正方向的角度θ，這個確定的角度值用于控制電機轉(zhuǎn)動角度，從而確定聲源位置，確定具體方位。

2.3 特定語音識別算法

處理過程分為濾波和預加重處理、采用相關函數(shù)，對特定語音采集處理采用最相近處理模式，最后通過匹配后輸出結(jié)果。相關函數(shù)的處理主要是為了解決現(xiàn)實情況下，未知信號與標準的語音信號之間存在必然的誤差，采用標準化類似程度匹配。此外預加重是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)，通過提高頻譜分量，準確找出標準語音和采集信號之間的差異，為后面模式匹配奠定基礎。圖3為SPCE061A識別過程。endprint

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)前面整體的硬件設計和系統(tǒng)要求，軟件總流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)前面整體的硬件設計和系統(tǒng)要求，軟件總流程圖如圖4所示。

4 測試

測試模式圖如圖4所示：

用戶相對垃圾桶所站的六個測試位置如圖4所示，其中用戶距離垃圾桶的直線距離均大于4米。測試結(jié)果顯示，達到用戶身邊的最大誤差值不超過20cm，對用戶的指令接受準確率達到95%以上。

5 結(jié)論

該文經(jīng)過對智能垃圾桶的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行了整體的設計，并且在設計完成的基礎上，進行了達到距離的測試和語音識別的準確度測試，實驗結(jié)果顯示，距離準確度高，語音識別準，可以達到設計的功能要求，結(jié)果可行。

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