車載語音識別及控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

茍鵬程 宗 群

(天津大學電氣與自動化工程學院 天津 300072)

車載語音識別及控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

茍鵬程 宗 群

(天津大學電氣與自動化工程學院 天津 300072)

針對傳統(tǒng)的封閉式手動操作的車載系統(tǒng)，設計了基于Android系統(tǒng)的車載語音識別與控制系統(tǒng)。該車載系統(tǒng)采用ARM架構(gòu)完成硬件搭建，設計并實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡和LD3320語音芯片的在線離線多模態(tài)語音識別功能，并在此基礎上實現(xiàn)了語音控制導航、藍牙電話及音樂播放功能。該系統(tǒng)支持導航軟件應用的自助升級和維護，打破了傳統(tǒng)車載系統(tǒng)升級的壟斷。實驗結(jié)果表明，該多模態(tài)語音識別與控制車載系統(tǒng)成本低、效率高，功能強大、界面友好操作簡便，真正意義上釋放了駕駛員的雙手，具有廣闊的市場前景。

車載 語音控制 導航 藍牙 LD3320

0 引 言

駕車出行改善了人們的生活品質(zhì)，但汽車數(shù)量的不斷增加，也帶來了嚴重的社會問題，如道路阻塞，交通事故等?？萍歼M步推動了汽車電子技術(shù)的發(fā)展，而輔助駕駛的智能車載系統(tǒng)尤其被人們看重。因此，推出更加安全化和人性化的智能車載產(chǎn)品成為了社會各界的期望[1]。目前市場上的車載系統(tǒng)，絕大多數(shù)是封閉和手動操作的，受自身軟件和硬件的限制，這類系統(tǒng)無法完全滿足駕駛員對車載系統(tǒng)的快捷化、安全化及個性化的操作需求。此外，由于交通網(wǎng)絡信息的快速發(fā)展和繁雜，這類車載系統(tǒng)如果不能及時更新導航地圖，操作可能導致嚴重后果。再加上更新手段壟斷，價格昂貴，這些都是傳統(tǒng)車載系統(tǒng)的局限性[2-3]。

在已有車載語音識別及控制系統(tǒng)的相關研發(fā)工作中，文獻[4]設計了一款基于CSRS368的車載語音控制娛樂系統(tǒng)，實現(xiàn)了音樂播放、撥打電話的功能，但沒有開發(fā)語音控制導航功能，導致整體系統(tǒng)應用價值偏低。文獻[5-6]基于系統(tǒng)模式匹配算法開發(fā)了語音識別系統(tǒng)，考慮了抗噪，但沒有實現(xiàn)具體的控制功能。此外，以上研發(fā)工作都是依賴龐大的模式匹配數(shù)據(jù)庫，識別算法占用CPU過多資源，系統(tǒng)運行時容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

針對以上存在的問題，本文設計一款基于Android的車載語音識別與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡和LD3320語音芯片的在線離線多模態(tài)語音識別功能，將語音識別任務交給其他模塊處理，ARM主控器只接收識別結(jié)果，降低對ARM硬件的依賴。并在此基礎上實現(xiàn)了語音控制車載導航、藍牙電話、歌曲播放的功能，功能豐富且系統(tǒng)運行流暢。其中語音控制導航包括語音搜索目的地、目的地列表自動推薦、目的地直接定位等功能；語音控制藍牙電話包括呼叫姓名、呼叫電話號碼以及重播等功能；語音控制歌曲播放功能包括上下首歌曲切換，控制播放指定音樂家的歌曲和控制播放指定歌曲等功能。導航應用可以在有網(wǎng)絡的環(huán)境下自助升級和維護。該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的、繁雜的手動操作的累贅，改善了駕駛員在駕駛車輛時的安全性和舒適性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。軟件采用開源的Android操作系統(tǒng)。硬件架構(gòu)包括：ARM主控器、LCD觸摸屏及硬件驅(qū)動電路、離線語音識別單元和外圍硬件模塊。其中，車載主控器ARM采用三星的四核處理器，基于Cortex-A9架構(gòu)的Exynos4412，搭配1 GB DDR3 運行內(nèi)存，最高運行主頻為2 GHz[7]。Exynos4412處理器搭載高性能數(shù)據(jù)處理引擎，為車輛數(shù)據(jù)信號的收集和處理提供了有利條件。

系統(tǒng)采用型號為AT070TN92的可觸控LCD顯示屏，支持多點觸控，分辨率是800×480，響應迅速。顯示屏和主控器采用45 pin接口直接相連，該可控制行場掃描信號、背光控制信號和使能信號等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離線語音識別單元由微控器STM32F103控制LD3320專業(yè)語音識別芯片實現(xiàn)。LD3320是由ICRoute公司設計制造的一款專業(yè)、快速且穩(wěn)定的語音識別芯片，優(yōu)點是效率高、成本低、無需外圍輔助元器件如內(nèi)存和閃存等、無需駕駛員事前語音訓練等，即可實現(xiàn)準確率>95%的單芯片語音識別。此外，可以動態(tài)編輯LD3320識別語句，這就為車載環(huán)境下語音識別提供了強有力的條件[8]。

STM32F103是采用Cortex-M3架構(gòu)的32位微控器，時鐘頻率為72 MHz，指令執(zhí)行效率高，響應速度快[9]，成本低。STM32F103通過SPI串行通信控制LD3320，以配置LD3320內(nèi)部寄存器的方式，傳入識別關鍵字，從而實現(xiàn)識別列表的動態(tài)編輯。STM32F103采集LD3320識別結(jié)果，通過串口發(fā)送到車載主控器，架構(gòu)如圖2所示。

圖2 離線語音識別架構(gòu)

STM32F103不直接提供SPI接口，需要配置相關GPIO口復用功能來實現(xiàn)[10]。具體的硬件連接采用STM32F103的PA5(復用SCK，時鐘信號)、PA6(復用MISO，接LD3320的MOSI)和PA7(復用MOSI，接LD3320的MISO)三個GPIO復用，實現(xiàn)LD3320和STM32F103的SPI通信。使用STM32F103的PC15，PA4分別控制LD3320的復位信號和片選信號；中斷信號由LD3320的IRQ發(fā)出，配置STM32F103的PC14引腳為接受外部觸發(fā)中斷。

以上工作完成之后，接下來針對車載環(huán)境編寫在線、離線語音識別程序、語音指令執(zhí)行程序和LCD顯示以及效果響應等程序。

2 語音識別程序設計和實現(xiàn)

在通常的語音識別中，用戶無法針對特定環(huán)境(如車載環(huán)境)自行設計安排識別目的。此外，還需要將采集到的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過強大的DSP處理器進行數(shù)據(jù)處理，再依據(jù)特定的算法，建立龐大的數(shù)據(jù)匹配庫，交給核心處理器進行提取、匹配和識別。這需要更高性能的處理器，軟件的設計要求會更高，成本會更高。這樣勢必會占用過多的CPU資源，使其他軟件(如導航、音頻播放等)卡死。

針對上述問題，提出將語音識別分為在線和離線模態(tài)，其中在線識別的優(yōu)勢在于硬件要求低，可以識別更廣泛的語音信號，如駕駛員使用語音控制導航，在線識別駕駛員所指定的目的地，駕駛員自由選擇目的地進行自主導航，方便快捷，更加體現(xiàn)語音控制車載系統(tǒng)的人性化；離線模態(tài)語音識別是由LD3320專業(yè)語音識別芯片通過對比離線數(shù)據(jù)存儲庫，得到最佳語音識別結(jié)果。在線和離線模態(tài)的結(jié)合，將語音識別這一大環(huán)節(jié)交給其他模塊處理，車載核心處理器只接收識別結(jié)果，降低對硬件的依賴，將CPU主要資源放在其他軟件諸如導航、音頻播放等，保證系統(tǒng)性能，以最低的成本達到最佳的、最智能的用戶體驗。

2.1 在線語音識別設計實現(xiàn)

在線語音識別采用類神經(jīng)網(wǎng)絡的辨識算法，以Http模式請求，縮短了開發(fā)周期，降低成本。本文以接入百度語音API實現(xiàn)在線語音識別。

該功能實現(xiàn)主要是軟件編程，選擇Java語言，IDE為Eclipse。考慮整個識別過程是耗時性操作，為了不影響其他事件的運行，設計采用多線程工作模式，實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 在線語音識別設計流程

首先是初始化過程，包括主控器和外圍電子器件的初始化。主要任務是Android系統(tǒng)的初始配置、LCD顯示屏幕的初始配置與網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的初始配置以及麥克風的使用配置。

其次，開啟UI更新主線程、語音識別子線程，數(shù)據(jù)處理子線程。其中，語音識別線程需要連接網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)處理相對耗時，但產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都需要發(fā)送到UI主線程進行界面更新，從而與駕駛員進行交流。在Android操作系統(tǒng)中，UI界面的更新只能在UI主線程里面，其他耗時操作和線程不能阻塞UI線程[11]。因此建立三個線程以數(shù)據(jù)交互為基礎，分工運行，使數(shù)據(jù)交流高效，系統(tǒng)運行流暢。系統(tǒng)啟動時，自動啟動UI主線程，加載UI界面，在UI界面上對語音識別的功能進行的描述，方便駕駛員更好地操作系統(tǒng)，然后等待來自其他子線程的數(shù)據(jù)，更新UI界面。UI主視圖部分內(nèi)容僅涉及Android界面編程這里不再詳述。下面介紹語音識別子線程實現(xiàn)。

語音識別線程的主要任務包括語音識別的實現(xiàn)和識別數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。語音識別的實現(xiàn)主要依靠百度語音API中的SpeechRecognitionClient，SpeechRecognitionConfig和SpeechClientStatusChangeListener三個重要的類。其中SpeechRecognitionClient實現(xiàn)了對語音識別流程的整體掌控，該類的三個方法startSpeechRecognition()、speakFinish()、stopSpeechRecognition()分別用來實現(xiàn)語音過程的開始、結(jié)束和終止；SpeechRecognitionConfig類用來對語音識別進行參數(shù)請求配置，包括采樣頻率，語言種類等。針對車載環(huán)境，采樣頻率配置為8 kHz，以節(jié)省成本，語言種類設置為LANGUAGE_CHINESE；SpeechClientStatusChangeListener類的實現(xiàn)，用來掌控具體語音識別過程以及識別結(jié)果的反饋。在線語音識別實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 在線語音識別實現(xiàn)效果

提取出來的識別結(jié)果是直譯文字信息，使系統(tǒng)以識別的文字結(jié)果為命令，就必須對識別結(jié)果文字信息進行語義解析。考慮到車載環(huán)境，語音命令都是祈使句命令，比如“播放周杰倫的音樂”、“撥打王某某的電話”、“導航去天津站”等。使用正則表達式進行語法分析，采用的語法結(jié)構(gòu)為基礎語法結(jié)構(gòu)：謂語+間接賓語+直接賓語、謂語+賓語、謂語+賓語+補語；同時將“的”作為句子理解的斷點。整個句子結(jié)構(gòu)采用上述語法分析之后將拆分后的數(shù)據(jù)封裝在Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，其中謂語是語音命令的核心，它指導動作的方向，賓語是具體的動作。例如，“播放周杰倫的音樂”進行語義解析之后，拆封得到的數(shù)據(jù)：“播放”(是指向音樂播放器的命令)，“周杰倫”和“音樂”(是具體到播放的最終目的)。

最后，語義解析完成之后，將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到UI主線程，更新UI界面，提示駕駛員識別的結(jié)果。同時，將解析結(jié)果數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)處理子線程，數(shù)據(jù)處理子線程根據(jù)具體的信息，進行軟硬件響應。各線程以數(shù)據(jù)為基礎分工明確，節(jié)約成本，降低功耗，實際操作中識別流暢，用戶體驗良好。

2.2 離線語音識別設計實現(xiàn)

其他任一類型語音識別，都是以中文文本庫為匹配對象，語音識別出來的結(jié)果是同音字，但不一定是正確識別結(jié)果。例如呼叫“王鵬”，就可能識別為“王朋”或“王彭”，這樣就可能導致識別失效或者打錯電話的尷尬。故采用離線語音識別控制藍牙電話，將通訊錄里聯(lián)系人的名字設定為離線語音識別匹配庫，這樣匹配到的結(jié)果就是要找的聯(lián)系人，識別快速準確。

LD3320語音識別芯片是通過和寫入芯片的關鍵詞對比實現(xiàn)語音識別的[12]。將需要識別的關鍵詞以拼音字符串的形式，寫入到微控器的運行內(nèi)存ROM內(nèi)部。LD3320進行語音識別時，將語音信號進行分析和特征提取，與關鍵詞列表中的信息進行匹配，相似度最高的即最佳識別結(jié)果。

考慮到車載語音環(huán)境的特性，設計時采用觸發(fā)識別，即微控器接收到一個外部觸發(fā)命令(設計為駕駛員的按鍵命令)時，才會開放LD3320的識別條件，即一次觸發(fā)進行一個語音識別過程。此外，采用LED燈光提示，提示駕駛員語音識別環(huán)境準備就緒，避免駕駛員隨性的語音導致識別率降低，會進一步提高語音識別效率，增強駕駛安全性。有語音識別結(jié)果時，LED自動熄滅。觸發(fā)識別還是一種低功耗模式，在駕駛員不操作語音識別時，微控器不控制LD3320工作，以達到省電降耗的功效。

LD3320語音識別設計流程如圖5所示，具體軟件驅(qū)動編寫如下：

(1) 初始化：對芯片各個寄存器按照序列進行設置。

(2) 寫入所要識別的詞條：待識別的詞條按照鍵值對的形式傳入，形成詞庫。詞庫的法則：一條識別詞條對應一個特定值，不同的待識別詞條可以對應同一特定值。系統(tǒng)內(nèi)部傳遞的是詞條對應的特定值，根據(jù)特定值，即可確定語義。

(3) 等待識別過程：設置全局控制變量，指示當前狀態(tài)是否具備完備的識別條件。

(4) 響應中斷：當語音按鍵被按下，麥克風采集語音命令，LD3320產(chǎn)生中斷，讀取BA寄存器的數(shù)值，根據(jù)數(shù)值判斷識別是否正確。

(5) 結(jié)果輸出：檢測到識別正確，且讀取到特定值，將結(jié)果通過串口發(fā)送到主控器。STM32F103與主控器的串口通信配置為：115 200波特率，8位數(shù)據(jù)傳輸，1位停止位，無奇偶校驗。

圖5 離線語音識別設計流程

離線軟件驅(qū)動編寫完成之后，在電腦上通過串口調(diào)試助手調(diào)試測試，識別迅速，體驗效果良好，如圖6所示。

圖6 離線語音識別實現(xiàn)效果

3 語音控制導航的設計與實現(xiàn)

對安裝在車載系統(tǒng)車上的任一種導航軟件的語音控制，是通過提取駕駛員語音信息進行目的地搜索，再采用Android系統(tǒng)提供的Intent機制，將帶有目的地經(jīng)緯度信息Intent對象發(fā)送到第三方導航軟件，從而實現(xiàn)語音對導航的通信和控制。導航軟件在接收到目的地信息后自動啟動并跳轉(zhuǎn)到目的地導航頁面，這樣在保證識別效率和正確操作的前提下，真正釋放駕駛員雙手，保證安全駕駛。語音控制導航設計流程如圖7所示。

圖7 語音控制導航設計流程

首先是UI主線程接收來自語音識別線程的識別結(jié)果，同時UI主線程更新界面，告知駕駛員識別結(jié)果。同時啟動數(shù)據(jù)處理子線程，接收處理完成的語音數(shù)據(jù)，為保證安全駕駛，數(shù)據(jù)處理子線程再次對語音命令進行解析。

當解析結(jié)果是正確導航命令時，從Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取目的地信息，再啟動搜索線程，進行對目的地的搜索。目的地的搜索有三個重要的變量PoiSearch初始化檢索對象，PoiCitySearchOption對檢索對象進行參數(shù)配置，OnGetPoiSearchResultListener是一個監(jiān)聽類，用來監(jiān)聽是否存在有效的搜索結(jié)果[13]。通過onGetPoiResult方法得到結(jié)果數(shù)據(jù)PoiResult， PoiResult包含所有搜索結(jié)果的地址信息、統(tǒng)一標識符ID及經(jīng)緯度等信息。將搜索到的每個結(jié)果信息打包處理成hashmap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有的hashmap數(shù)據(jù)構(gòu)成一個LIST鏈表。將LIST鏈表封裝好后發(fā)送到UI線程，UI線程啟動后，提取LIST鏈表中的數(shù)據(jù)，界面上形成目的地推薦列表AlertDialog。實現(xiàn)效果如圖8所示，可以清楚地看到語音識別后目的地推薦列表。

圖8 目的地推薦列表效果圖

Intent是Android不同應用之間數(shù)據(jù)交流的橋梁。使用帶有經(jīng)緯度參數(shù)的Intent通過startActivity啟動導航，其中配置數(shù)據(jù)采用Uri。

駕駛員選擇AlertDialog列表中的目的地，會觸發(fā)一個帶有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)Intent對象傳遞到第三方導航應用，將導航信息顯示在LCD顯示器上，最終實現(xiàn)語音控制導航。實現(xiàn)效果如圖9所示。

圖9 語音控制導航實現(xiàn)效果

用戶可以根據(jù)自身需要和喜好自行安裝導航軟件，升級方法同樣操作簡單，像操作Android手機一樣，可以采用SD卡下載安裝包升級，可以采用網(wǎng)絡手段升級，打破了傳統(tǒng)車載導航升級的壟斷。

4 語音控制音樂播放的設計與實現(xiàn)

車載環(huán)境下，音樂播放器處于后臺播放狀態(tài)，程序在后臺運行而不影響其它程序的正常運轉(zhuǎn)，這是基于Android系統(tǒng)的重要組件——服務Service。所以應當設計語音控制后臺音樂播放Service，這樣就要用到Android的廣播(Broadcast)機制。該功能的設計流程圖如圖10所示。

圖10 語音控制歌曲設計流程

Android操作系統(tǒng)提供了MediaStore類，使用內(nèi)容解析器ContentResolver提供Cursor的query查詢方法來調(diào)取MediaStore類所提供的數(shù)據(jù)表格。包括歌曲名稱TITLE、歌曲專輯名ALBUM、歌手名字ARTIST等。從UI主線程提取到語音識別有效控制信息時，如“播放周杰倫的音樂”，在ARTIST中匹配“周杰倫”，得到文件位置。將文件位置信息搭載到Intent對象，主線程通過Broadcast將Intent發(fā)送到音樂播放器Service，接受命令從而播放歌曲。

5 語音控制藍牙電話的設計與實現(xiàn)

語音控制藍牙電話，主要是通過語音來控制主控器操作藍牙模塊：主控器通過串口向藍牙模塊發(fā)送AT命令，實現(xiàn)對駕駛員手機的語音控制。不同的語音命令觸發(fā)不同的AT命令，從而實現(xiàn)接聽、重撥、呼叫某人及呼叫電話號碼等功能[14]。該功能的設計流程如圖11所示。

圖11 語音控制藍牙電話設計流程

首先是UI主線程接收來自語音識別線程的識別結(jié)果,這部分同語音控制導航，這里不再贅述。從Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面提取控制電話信息，如檢測是呼叫電話號碼數(shù)字命令或是直接的控制命令(如重撥、拒絕接聽等)，將控制信息直接形成藍牙AT命令。

同樣，如果檢測到控制命令是呼叫某某人，將姓名提取出來，從通訊錄中提取電話號碼信息，再轉(zhuǎn)化為藍牙AT命令。 根據(jù)姓名查找電話號碼，使用Android內(nèi)容提供者(ContentProvider)和內(nèi)容解析器(ContentResolver)。Android通訊錄作為ContentProvider負責將數(shù)據(jù)(根據(jù)姓名匹配到的電話號碼信息)傳遞給ContentResolver(藍牙串口線程)，形成AT命令，繼而控制藍牙電話。

6 結(jié) 語

本文從底層硬件架構(gòu)設計到Android操作系統(tǒng)上層控制應用等各個方面對該車載語音識別與控制系統(tǒng)的開發(fā)進行詳細論述。設計并實現(xiàn)了在線離線多模態(tài)語音識別功能，又在充分考慮安全駕駛和節(jié)約能耗的基礎上，實現(xiàn)了語音控制車載導航、藍牙電話及歌曲播放的功能。整體系統(tǒng)功能豐富，操作簡單且具有很好的控制效果和穩(wěn)定性。在實驗室條件下模擬車內(nèi)環(huán)境對該系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)整體運行流暢，識別率在95%以上。此外，本系統(tǒng)可以自助升級導航應用，擺脫了傳統(tǒng)系統(tǒng)升級受壟斷的限制。

本系統(tǒng)還可以在軟硬件控制方面進行拓展，例如對空調(diào)系統(tǒng)的控制、限行語音提示以及天氣情況語音提示等，可繼續(xù)拓展功能，使該系統(tǒng)成為集語音和服務于一體的智能化車載系統(tǒng)。此外，隨著科技不斷發(fā)展，Android系統(tǒng)的不斷滲透，該系統(tǒng)必當會在各個類型汽車中盛行，具有廣闊的未來市場和廣泛的應用前景。

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DESIGN AND REALIZATION OF VEHICLE SPEECH RECOGNITION AND CONTROL SYSTEM

Gou Pengcheng Zong Qun

(SchoolofAutomationandElectricalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Aimed at the traditional enclosed manual operation of the vehicle system, a car speech recognition and control system based on Android system is designed. The vehicle system uses ARM architecture to complete the hardware structures,the on-line and off-line multi-mode speech recognition based on the network and LD3320 voice chip is designed and implemented. On this basis, voice control navigation, Bluetooth phone and music playing function are realized. The system supports self-service upgrade and maintenance of navigation software, breaking the monopoly of traditional vehicle system upgrade. The experimental results show that the multi-mode speech recognition and control vehicle system has low cost, high efficiency, powerful function, friendly interface and easy operation. It realizes releasing the driver’s hands and has broad market prospect.

In-car Speech control Navigation Bluetooth LD3320

2016-04-18。國家自然科學基金項目(91016018);天津市基礎研究重點項目(11JCZDJC25100)。茍鵬程，碩士生，主研領域：嵌入式開發(fā)。宗群，教授。

TP368.1

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.05.023