基于語音控制的智能電動汽車研究

敖 勤，龍 洋，邱志華

（江西水利職業(yè)學院，江西 南昌 330013）

1 語音識別

1.1 語音識別概述

語音識別技術(shù)就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳奈谋净蛎畹母呒夹g(shù)。語音識別技術(shù)可以分為兩類，（1）對特定發(fā)音者的模式識別，使用者使用前需要進行簡單的訓練；（2）對非特定發(fā)音者的模式識別，使用者無需訓練即可使用，并可以進行識別，任何人皆可隨時使用此技術(shù)。

在工業(yè)生產(chǎn)與生活中，電動汽車作為最常用的行走機構(gòu)得到了廣泛的應用。將語音識別技術(shù)應用于電動汽車，賦予其聽覺功能，能夠接收和識別人類的語音信號，轉(zhuǎn)換并執(zhí)行相應的動作指令[1]。語音識別技術(shù)讓電動汽車更加智能。

1.2 語音識別原理

語音識別本質(zhì)上是一種模式識別行為，基本原理是先分析聲波中各種頻率的組成及其頻率的時變模式，再結(jié)合語音數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配運算，得出“語音”所包括的語言信息。語音識別的重要步驟包括聲音信號的預處理和特征提取、訓練建立參考模式庫及模式匹配等，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 語音識別系統(tǒng)框圖

語音信號首先經(jīng)過預處理（含AD轉(zhuǎn)換）變成滿足要求的離散數(shù)字信號；然后對其進行頻譜分析，提取出語音信號的參數(shù)化表示（或稱待識別未知模式），通常是由特征矢量構(gòu)成的特征矩陣；在識別過程中，再把此模式和數(shù)據(jù)庫中的參考模式進行比較；最后由識別決策來決定是否識別，并給出結(jié)果[2]。

預處理是指語音信號號在采集后首先要進行濾波、A/D變換、預加重及端點檢測等措施，然后才能進入識別、合成及增強等實際應用。

特征提取部分的作用是將聲音信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域，為聲學模型提供合適的特征向量。

訓練是對預先收集好的海量語音、語言數(shù)據(jù)庫進行信號處理和知識挖掘，獲取語音識別系統(tǒng)所需要的“聲學模型”和“語言模型”。

模式匹配是所有環(huán)節(jié)的關(guān)鍵點，其作用是將輸入的語音特征與聲學模型（模式）進行匹配與比較，得到最佳的識別結(jié)果。

2 電機驅(qū)動原理

本文采用直流電機的驅(qū)動電路，能夠驅(qū)動直流電機，在單片機的控制下，使電機獨立正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。為了使電機驅(qū)動電路和單片機控制電路電氣隔離，可以采用光電耦合器連接這兩部分。這可以使電機和控制器分別供電，單片機的IO口線連接，控制電機的正反轉(zhuǎn)，單片機的一根IO口線連接電機，對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。

當電動機出現(xiàn)故障時，其保護電路能夠及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，保證電機能夠正常地運行而不受損壞。其保護電路分為過電流保護、欠電壓保護、剎車保護及過電壓保護。為了能夠快速響應，采取中斷方式實現(xiàn)。

當電動機出現(xiàn)過電流時，單片機能夠檢測出來并作出反應，其工作原理是通過電阻R17取出電流信號，并把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；當電流過大時，LM321輸出端就會由高電平變成低電平，通過數(shù)字信號處理，轉(zhuǎn)換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產(chǎn)生中斷。

當電動機出現(xiàn)過電壓時，單片機能夠檢測出來并作出反應，其工作原理是電源電壓是通過電阻R37取出電壓信號；當電壓過大或大于38 V時，Q6由截止變成導通，輸出端就會由高電平變成低電平，通過數(shù)字信號處理，轉(zhuǎn)換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產(chǎn)生中斷。

當電機正常工作時，由R8取出電壓信號為4.9 V；當電動機剎車時，其電壓被短路，其輸出由高電平變成低電平，通過數(shù)字信號處理，轉(zhuǎn)換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產(chǎn)生中斷。

當電源電壓過低時，單片機能夠檢測出來并作出反應，關(guān)斷電壓，使電源停止供電，使電源不至于發(fā)電過多而影響下次的使用，保護電源，其工作原理是電源電壓通過電阻R22、R29、R33取出電壓信號，當電壓過小或小于31 V時U8D輸出端就會由高電平變成低電平，通過數(shù)字信號處理，轉(zhuǎn)換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產(chǎn)生中斷。L298N電機驅(qū)動邏輯控制如表1所示。

表1 L298N電機驅(qū)動邏輯控制

根據(jù)電機驅(qū)動邏輯功能表，通過改變單片機IO口高低電平變化，可以方便實現(xiàn)電動汽車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及停止。

3 電動汽車速度控制

脈寬調(diào)制（PWM）是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[3]。

電機的驅(qū)動采用雙向PWM脈寬調(diào)制方式控制，電機驅(qū)動電路如圖2所示。采用這種控制方式可以方便地實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速變化，其工組原理為當P1.0端口為高電平、P1.1端口為低電平時，三極管Q5導通，Q5導通又導致Q3和Q2導通，則電流從電源通過Q2、直流電機和Q3構(gòu)成回路；當P1.0端口為低電平、P1.1端口為高電平時，三極管Q6導通，Q6導通又導致Q4和Q1導通，則電流從電源通過Q1、直流電機和Q4構(gòu)成回路，且電流方向和前面相反，即電機轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。通過控制P1.0口和P1.1口電平的高低和高電平導通的時間，可以控制電機的正、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速[6]。

4 語音控制電動汽車

4.1 語音控制模式

本課題使用的語音模塊如圖3所示，是一款非特定人語音識別模塊，無需編程，用戶無需深入了解語音識別的原理，簡簡單單的拼音設置即可識別，并會通過串口識別結(jié)果。但是語音識別都會存在誤識別的情況。例如，平時談話時出現(xiàn)了和命令相似的發(fā)音，模塊會誤判。以目前的語音識別的技術(shù)，誤判情況還不能被消除，故本模塊嵌入了3種識別模式。

圖2 直流電機PWM驅(qū)動電路

圖3 語音模塊說明

4.1.1 循環(huán)檢測模式

這個模式下模塊是不停檢測周圍的聲音的，所以使用者任意時刻說對了指令都會被檢測并識別。這個模式的缺點是有比較大的誤識別（談話時出現(xiàn)了命令相似的語音，模塊就會誤判，可使用增加屏蔽詞的方法消除誤識別。），可應用于機器人問答或者對話玩具。

4.1.2 口令檢測模式

兩條指令控制一個動作。只有口令說完后的8 s內(nèi)說出指令模塊才會識別，如果超過了8 s就要重新說口令。這種模式很大程度上解決了因模塊誤識別而造成電器誤動作，可以設置識別到口令的提示音，提示用戶在規(guī)定的時間內(nèi)說出指令。

4.1.3 按鈕檢測模式

每按一次按鈕講出指令才能識別，8 s后要重新按按鈕才能識別。缺點是每次識別都要事先按一次按鈕、可以應用于家電控制、智能開關(guān)等。這種模式徹底消除了模塊的誤識別，可靠性高。

4.2 實驗過程

本課題選擇口令檢測模式進行實驗，實驗時對語音模塊接收裝置發(fā)出規(guī)定口令，如高速前進、中速前進、低速前進、高速后退、中速后退、低速后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)等，觀察電動汽車的運行情況。實驗表明，電動汽車對語音指令完成相應的動作效果理想，但也存在一些誤判和不執(zhí)行的情況，主要原因是環(huán)境噪聲以及聲音大小影響語音指令。后續(xù)完善措施包括語音指令的去噪聲處理、語音指令的豐富及相應的電動汽車執(zhí)行動作的豐富。

5 結(jié) 論

本次設計是智能語音控制電動汽車兼有避障功能，主控制芯片采用STC89C52單片機，借助市場比較成熟的語音芯片，成功實現(xiàn)了語音控制電動汽車和電動汽車的自動避障的功能[4-5]。設計內(nèi)容包括電動汽車硬件、軟件、語音識別單元及調(diào)試等。根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、速度控制（高速、中速、低速）、停車及避障等功能編寫出電動汽車端的軟件程序，最終電動汽車達到設計的基本要求。電動汽車雖然基本功能實現(xiàn)，但仍存在一些問題，控制的穩(wěn)定性并不高，功能也比較簡單，仍需要不斷完善。