一種語音控制水面無人艇的設計與展望

[摘 要]為了滿足多任務作用下無人艇航向和航速的精確、簡單、靈活操控，降低指揮人員的工作壓力，提出了一種基于語音控制的小型無人艇設計方案.它以LD3320語音識別芯片和STC89C52RC單片機為控制核心，通過控制兩個噴水推進器協(xié)同工作實現(xiàn)航向及航速的變化.經(jīng)進一步的模型航行實驗，總結了目前語音控制無人艇存在的主要問題，并對未來的研究方向進行了展望。

[關鍵詞]水面無人艇；語音控制；STC89C52RC單片機；識別率

中圖分類號：TU856 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）12-0400-01

1 引言

水面無人艇（Unmanned Surface Vessel，簡稱USV）是一種在海洋環(huán)境下?lián)碛凶灾骱叫心芰?，可以通過搭載不同的功能模塊來完成相應任務的小型水面運動平臺[1].水面無人艇工作時，不需要人參與到工程現(xiàn)場，航向控制是基于岸基或者基于母船的控制中心來實現(xiàn)的[2].如果遇到大風大浪以及有害物質泄漏等惡劣環(huán)境，水面無人艇便可以代替工作人員去完成相關作業(yè).這在最大程度上保證了人員安全，降低了研究人員和施工人員的危險程度[3]。

然而事實上，大多數(shù)USV的作業(yè)和運動控制都是在團隊的相互協(xié)作下完成的，一定程度上就造成了人力和資源的浪費.因此，設計制作一種低成本的小型水面無人艇語音控制系統(tǒng)，展開模型控制實驗，不僅能夠為先進運動控制算法提供可驗證的實驗操作平臺，而且可以為研制更高性能的水面無人艇運動控制器打下堅實基礎，具有深遠的現(xiàn)實意義.本文提出了一種具有操縱性好、靈敏度高、能耗小等特點的小型水面無人艇語音操控系統(tǒng)，在不影響手動控制其它設備的前提下，最大化利用“嘴巴”這一人體器官，實現(xiàn)水面無人艇高效率的智能化控制。

2 硬件平臺架構

該語音控制系統(tǒng)使用LD3320語音識別芯片[4]作為指令識別的核心部件，以STC89C52RC單片機作為控制中心來實現(xiàn)對水面無人艇的運動控制.為了完善系統(tǒng)功能，還需擴展外部設備.因此，除了LD3320語音識別芯片和STC89C52RC單片機兩大核心模塊，另外需要使用2.4G無線麥克風、L298N電機驅動模塊、國產(chǎn)370高扭矩直流電機（額定電壓為7.4V）與無拉桿噴水舵機共同完成系統(tǒng)硬件的構建。

LD3320是一款語音識別專用芯片，可實現(xiàn)非特定人的語音識別[5]，它內置有非特定人語音識別算法，而且語音識別的關鍵詞可以任意動態(tài)編輯，識別結果能以下面兩種方式給出：①外部送入一定時間（如1秒鐘）的語音數(shù)據(jù)后，識別芯片對這些語音數(shù)據(jù)特征提取和運算分析并給出識別結果；②外部送入語音數(shù)據(jù)之后，識別芯片可通過端點檢測技術判斷出發(fā)令員停止說話，把發(fā)令員說話開始到停止期間的數(shù)據(jù)進行分析后，給出識別結果.為了保證水面無人艇變速和改向的實時行和控制靈敏度，我們采用了后者.LD3320語音識別芯片的工作流程如下：

電機選用370高扭矩直流電機，負載最大電流6A，最大轉速每分鐘430000轉.兩個電機與噴水舵機共同組成推進系統(tǒng)，通過調節(jié)噴水速率差，實現(xiàn)水面無人艇的運動控制.電機調速方面采用的是脈寬調制（PWM）直流調速技術[6]，配合橋式驅動電路L298N可實現(xiàn)直流電機大范圍調速。

3 語音控制方法設計

系統(tǒng)正常工作時，語音信號被麥克風接收、解析后傳送到語音芯片內部（已經(jīng)放置好關鍵詞列表），收集到的語音信息與原先放好的關鍵詞進行識別、匹配和對比，得到一個最優(yōu)的結果，從而通過串口發(fā)送信號給單片機；接收器接收后，通過解調還原出發(fā)來的信息，控制水面無人艇上有關航向航速的功能轉換，從而來實現(xiàn)航向及航速的控制。

程序的編寫、下載及調試是通過軟件Keil-μVision4來完成的，根據(jù)設計要求，將語音識別模塊、直流電機驅動模塊、STC89C52RC單片機[7]等器材連接在一起，并進行不斷的調試和完善完成了語音控制設計.水面無人艇的指令包括前進、加速、減速、左舵、右舵、停止六種.結合PWM技術相關原理，相應指令下對應的左、右電機電壓值（U0為電機工作時的額定電壓）。

4 模型控制測試

為了驗證語音控制水面無人艇的可行性和實用性，在兩種不同噪聲環(huán)境下對無人艇模型進行了岸基控制測試。

根據(jù)不同地點語音控制的實驗測試結果可知，即使在湖邊這樣的嘈雜環(huán)境下，語音控制系統(tǒng)仍能保持90%以上的應答準確性.因此，通過實驗次數(shù)和控制熟練程度的提高，指揮人員便可進一步安全、準確的控制無人艇航行，具有一定的實用價值。

5 結論及展望

本文旨在研究無人船語音控制系統(tǒng)的可行性，而最終的結果表明，語音控制突破了傳統(tǒng)控制方式的局限性，極大地簡化了控制過程，提高了控制效率，是一種比較自由、靈活、智能的控制方式.對于后期研究階段，為了進一步提高語音控制的安全性和實用性，可以結合深度學習理論，通過數(shù)學建模，綜合分析以下因素對控制靈敏度的影響：①不同指令下航行速度對無人艇安全的影響；②主要語音指令的內容與頻率特征對識別率的影響；③外界雜音干擾的影響；④指令的清晰程度影響等.

參考文獻

[1] 葛增魯.無人艇航向運動控制器的設計與實現(xiàn)[D].大連海事大學，2016年3月第1頁.

[2] 陳麗麗，王玉龍.網(wǎng)絡環(huán)境下無人水面艇航向控制器設計[J].艦船科學技術， 2017年2月，第39卷第2期：第125頁.

[3] 田勇.水面無人艇運動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大連海事大學，2016年1月，第1頁.

[4] 蔣冬清，王一舒. LD3320語音芯片與單片機的通訊分析[J].科技創(chuàng)新與應用， 2016年 第3期：第75頁.

[5] 杜希棟，王志偉等.基于LD3320的非特定語音控制小車設計[J].信息技術，2015年 第1期：第53-55頁.

[6] 宮曉明.基于51單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)[J].科學家，2016年 第16期：第151-180頁.

[7] 葉林勇.基于STC89C52RC單片機間的串口通信程序設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2013年第30期：第62-63頁.

作者簡介：

王博士（1995-），男，河南省商丘市人，民？族：漢？職稱：無，學歷：本科在讀。研究方向：航海技術專業(yè)。