具有語(yǔ)音識(shí)別和跟蹤功能的玩具機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃賢

摘 要：設(shè)計(jì)一種具有語(yǔ)音識(shí)別和自動(dòng)跟蹤語(yǔ)音功能的玩具機(jī)器人，采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī)SPCE061A作為主控芯片，外接麥克，通過(guò)外圍電路采集聲音信號(hào)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音定位，在語(yǔ)音命令識(shí)別成功之后控制玩具機(jī)器人做相應(yīng)的動(dòng)作。該控制系統(tǒng)功能完備，能夠滿(mǎn)足玩具機(jī)器人系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：玩具機(jī)器人 語(yǔ)音識(shí)別 語(yǔ)音定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（b）-0082-02

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高，人們的消費(fèi)水平越來(lái)越高。目前兒童玩具特別是智能玩具擁有一個(gè)很大的市場(chǎng)。智能玩具不僅能夠滿(mǎn)足兒童的好奇心、加強(qiáng)孩子和玩具的互動(dòng)，而且可以激發(fā)兒童的求知欲[1]。智能玩具將計(jì)算機(jī)、電子、通訊等領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)融合為一體，突破了傳統(tǒng)玩具的局限性，賦予玩具“聽(tīng)”“說(shuō)”功能，與人進(jìn)行互動(dòng)，寓知于樂(lè)，可使兒童在愉悅中學(xué)習(xí)、體會(huì)生活，真正達(dá)到寓教于樂(lè)的目的[2，3]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

采用凌陽(yáng)十六位單片機(jī)SPCE061A作為主控芯片，外接麥克到SPCE061A的聲音輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和聲音定位，再利用SPCE061A的IO端口控制三級(jí)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制機(jī)器人的腿部、頭部和飛碟電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作控制，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)音信號(hào)輸入：語(yǔ)音信號(hào)由該模塊進(jìn)入單片機(jī)后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別處理。聲音定位信號(hào)輸入：聲音定位的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，將模擬的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的高低電平，由I/O端口輸入到SPCE061A。鍵盤(pán)輸入控制：用于選擇語(yǔ)音識(shí)別和聲音定位模塊，在語(yǔ)音識(shí)別模塊下用于重新訓(xùn)練語(yǔ)音控制命令的按鍵。設(shè)有3個(gè)按鍵：KEY1-上電復(fù)位后用于選擇語(yǔ)音識(shí)別模塊；KEY2-上電復(fù)位后用于選擇聲音定位模塊；KEY3-運(yùn)行語(yǔ)音識(shí)別模塊中用于選擇重新訓(xùn)練語(yǔ)音控制命令。機(jī)器人控制：SPCE061A通過(guò)基本I/O口控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和發(fā)射等。語(yǔ)音播放：在語(yǔ)音識(shí)別和聲音定位中加入了語(yǔ)音播放，用來(lái)提示說(shuō)話(huà)者訓(xùn)練語(yǔ)音控制命令、辨識(shí)后的應(yīng)答和定位后的播放音源方位等。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別

該設(shè)計(jì)采用特定人識(shí)別方式，即語(yǔ)音樣板由單個(gè)人訓(xùn)練，對(duì)訓(xùn)練人的語(yǔ)音命令識(shí)別準(zhǔn)確率較高，而其他人的語(yǔ)音命令識(shí)別準(zhǔn)確率較低或不識(shí)別[4]。識(shí)別電路如圖2所示，麥克選用駐極體電容話(huà)筒，話(huà)筒的偏壓由SPCE061A的VMIC管腳提供。

2.2 聲音定位

由3個(gè)麥克組成聲音定位的前端信號(hào)接收電路，3個(gè)麥克擺放成7 cm的等邊三角形接收聲音信號(hào)，每路麥克都經(jīng)過(guò)相同的放大和整形將模擬的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字高低電平輸入到SPCE061A，在SPCE061A內(nèi)識(shí)別三路麥克輸入信號(hào)的相位差值，通過(guò)計(jì)算獲取音源所在的方位。圖3為單個(gè)聲音信號(hào)接收及調(diào)理電路，圖中R1、Q1形成一個(gè)恒流源，為麥克供應(yīng)電流，U1A、C1、R2、R3形成一個(gè)放大電路，其中C1濾掉信號(hào)中的低頻部分，R2/R3/U1A構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋放大回路；C2、R4、R5、U1B形成一個(gè)過(guò)零比較電路。

2.3 機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路

當(dāng)單片機(jī)成功識(shí)別語(yǔ)音指令后，將對(duì)機(jī)器人的腿部、頭部和飛碟發(fā)射裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，主要是通過(guò)IO口的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)電機(jī)的控制。

2.3.1 腿部電機(jī)控制

圖4為機(jī)器人的左腿電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路采用4個(gè)三極管Q1-Q4作為驅(qū)動(dòng)，提升流過(guò)電機(jī)的電流，2個(gè)三極管Q5-Q6控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)控制的端口接到了SPCE061A的IOB13和IOB14，只需要給IOB13高電平就可以控制其正轉(zhuǎn)，左腿前進(jìn)；給IOB14高電平就可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，左腿后退。

右腿的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電路與左腿的完全相同，其電機(jī)控制的端口接到了SPCE061A的IOB11和IOB12，只需要給IOB12高電平就可以控制其正轉(zhuǎn)，右腿前進(jìn)；給IOB11高電平就可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，右腿后退。

2.3.2 頭部電機(jī)控制

用于頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路和左右腿的相同，其電機(jī)控制的端口接到了SPCE061A的IOB9和IOB10，只需要給IOB9高電平就可以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，頭部轉(zhuǎn)向左方；給IOB10高電平就可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，頭部轉(zhuǎn)向右方。

2.3.3 發(fā)射飛碟電機(jī)控制

為增加玩具機(jī)器人的趣味性和互動(dòng)性，設(shè)計(jì)中增加了機(jī)器人發(fā)射飛碟的功能。采用兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制，由SPCE061A的IOB8和IOB15控制電機(jī)M4和M5，分別控制帶動(dòng)裝置和加速裝置，其中帶動(dòng)彈簧裝置彈出飛碟，加速裝置帶動(dòng)飛碟發(fā)射出來(lái)，驅(qū)動(dòng)控制電路如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

基于SPCE061A單片機(jī)開(kāi)發(fā)的玩具機(jī)器人控制系統(tǒng)，由3個(gè)麥克擺放成邊長(zhǎng)為7 cm的等邊三角形，采集聲音信號(hào)并進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，根據(jù)識(shí)別的語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作控制。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，既能實(shí)現(xiàn)智能控制，又增加了互動(dòng)性，達(dá)到了玩具機(jī)器人寓教于樂(lè)的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 渠川鈺，劉修泉.基于STC89C52單片機(jī)的斗牛玩具機(jī)器人研制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（7）：36-38.

[2] 楊宜民，李瑩.智能玩具研發(fā)動(dòng)態(tài)及思考[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（3）：34-39.

[3] 馮勁梅，王慶明.采用單片機(jī)的直流電機(jī)無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2010（12）：7-10.

[4] 張培堅(jiān).十六位單片微處理器原理及應(yīng)用（凌陽(yáng)SPCE061A）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.