一種船舶自動操舵儀語音交互器的設(shè)計

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

船舶自動操舵儀[1]是一種能自動控制舵機以保持船舶按規(guī)定航路航行的設(shè)備，又稱自動操舵裝置。它是在通常的操舵裝置上加裝自動控制部分而成，船舶航行過程中，操舵儀必須時刻保持牢靠、低故障率，這是船舶航行安全的根本技術(shù)保證。 隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，來自GPS、北斗等衛(wèi)星的位置信息、光纖羅經(jīng)的航向信息、慣性導(dǎo)航設(shè)備的姿態(tài)信息，接入到自動操舵儀中，經(jīng)過優(yōu)化的控制算法，船舶已經(jīng)能夠按照計劃的航跡線或跡向航行，極大地降低了船員的勞動強度。但是航行過程中，人員必須全程監(jiān)控，主要根據(jù)操舵儀發(fā)出的單調(diào)枯燥的報警聲、指示燈信號，結(jié)合屏幕顯示的參數(shù)來判斷船舶航行和設(shè)備運行狀態(tài)，存在反應(yīng)遲鈍、信息要素不全、船員工作環(huán)境惡劣等問題。因此有必要在操舵儀中整合智能語音系統(tǒng)，使船員能夠利用聽覺，獲取關(guān)鍵航行技術(shù)信息，改變枯燥、緊張的工作環(huán)境，更加方便地輸入控制指令。

1 語音芯片

經(jīng)過市場調(diào)研，XFS5152CE[2]是科大訊飛公司研發(fā)的一款高集成度的語音合成芯片，可實現(xiàn)中文、英文語音合成；并集成了語音編碼、解碼功能，可支持用戶進行錄音和播放；除此之外，還創(chuàng)新性地集成了輕量級的語音識別功能[3]，支持 30 個命令詞的識別，并且支持用戶的命令詞定制需求。 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于車載調(diào)度終端、自動售貨機、POS機、公交車語音報站器、智能儀表等設(shè)備中。功能如下：支持任意中文文本、英文文本的合成，并且支持中英文混讀；支持語音編解碼功能，用戶可以使用芯片直接進行錄音和播放；支持語音識別功能；芯片內(nèi)部集成 80 種常用提示音效；支持 UART、I2C 、SPI三種通訊方式；支持多種控制命令；支持多種方式查詢芯片的工作狀態(tài)。

圖1 XFS5152CE結(jié)構(gòu)功能圖

2 設(shè)計方案

船舶自動操舵儀作為最重要的航海儀器，在設(shè)計語音交互器中必須考慮其具有：高可靠性；以太網(wǎng)、CAN總線、UART串口等通用的對外的接口，方便接入與系統(tǒng)升級；較高的CPU性能，方便語音的識別與判斷，發(fā)布準(zhǔn)確的指令；成本低廉。因此，該系統(tǒng)由STM32F407VGT6控制器電路、XFS5152CE 語音電路、功放電路、麥克風(fēng)電路和電源電路組成。

2.1 STM32F407VGT6控制器電路

STM32F407VGT6是意法半導(dǎo)體公司基于高性能的ARM?Cortex?-M4 32-bit RISC core內(nèi)核，工作頻率高達168MHz[4]。Cortex-m4核心具有單精度的浮點數(shù)運算單元FPU，支持所有單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。它還實現(xiàn)了一套完整的DSP指令和一個內(nèi)存保護單元(MPU)，以提高應(yīng)用程序的安全性。包含了高速嵌入式存儲器(閃存最多可達1MByte，最多可達192kByte SRAM)，最多可達4kByte的備份SRAM，以及廣泛的增強型I/O和外設(shè)，連到兩個APB總線。具有標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口，包括雙CAN，以太網(wǎng)，USART，SPI，I2C等接口，方便與外圍設(shè)備互聯(lián)互通。

圖2 STM32F407VGT6核心電路

該電路由STM32F407VGT6的核心電路、復(fù)位電路、以太網(wǎng)通信電路、雙CAN通信電路組成，核心電路完成與語音芯片的交互，并且運行船舶控制指令的運行策略，根據(jù)語音設(shè)備，把控制指令翻譯到船舶自動操舵儀內(nèi)部的CAN網(wǎng)，或信息通信以太網(wǎng)上。復(fù)位電路起到上電復(fù)位CPU的作用。以太網(wǎng)通信電路主體物理芯片采用DP83848與CPU采用RMII方式交互數(shù)據(jù)[5]，適用于信息通過以太網(wǎng)交互的自動操舵儀中。雙CAN電路主體物理芯片采用具有隔離作用的ADM3053，適用于通過CAN網(wǎng)交互的自動操舵儀。

2.2 XFS5152CE 語音電路

XFS5152CE 語音電路由XFS5152CE核心電路、波特率配置電路組成，核心電路主要根據(jù)CPU發(fā)送的指令和編碼，翻譯成語音發(fā)送到功放電路，同時根據(jù)對MIC電路輸入的語音進行識別，翻譯成相應(yīng)代碼傳送給CPU。波特率配置電路完成USART波特率的設(shè)置。

2.3 功放電路

功放電路主要由TPA3123D2功放驅(qū)動芯片構(gòu)成。TPA3123D2是一個25瓦(每通道)高效，D類用于驅(qū)動單端配置或在一個橋接負(fù)載配置單聲道揚聲器立體聲揚聲器的音頻功率放大器，該TPA3123D2可以驅(qū)動多至4個立體聲揚聲器。TPA3123D2消除了播放音樂時對外部散熱器的需要。

2.4 麥克風(fēng)電路

MEMS麥克風(fēng)因為不受外界環(huán)境影響，輸出靈敏度長期穩(wěn)定，且一致性好，廣泛替代ECM麥克風(fēng)，成為市場主流，因此本設(shè)計中采用樓氏公司生產(chǎn)的SPH1642HT5H-1型模擬硅麥克風(fēng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 SPH1642HT5H-1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因其內(nèi)部整合了電源管理、電荷泵、低噪音的輸入緩沖、輸出放大器，所以麥克風(fēng)的外圍電路設(shè)計非常方便，如下圖4所示：

圖4 硅麥外圍電路

3 語音控制策略

現(xiàn)在的自動操舵儀普遍具有5種控制方式：簡單、隨動、航向自動、跡向自動、航跡自動，而各種操舵方式的選擇必須滿足一定的條件。簡單操縱是船舶自動操舵儀控制中最保險的一種控制方法，只需要船舶驅(qū)動舵機的電磁閥正常工作，簡單操縱就可以實現(xiàn)，是完全按照人的經(jīng)驗進行控制。隨動操縱是船舶舵機跟隨舵輪發(fā)出的舵角指令，舵機自動跟隨，舵角反饋和舵角指令完備的情況下才能進行，而且由其他方式切入隨動控制時，必須舵輪處于零度角，否則可能引起突然較大的轉(zhuǎn)向，影響船舶航行安全。航向自動是在自動控制理論上，基于隨動控制環(huán)，又添加了一個航向控制環(huán)，進入航向控制的條件是具備隨動控制能力且具有可靠的航向信息來源。跡向控制是最近幾年船舶才開始應(yīng)用的操舵方式，是一種按照射線航行的方式，能夠自動補償風(fēng)、流影響，自動航行在方向跡向上，既保證了方向、又保證了位置，進入的條件是在航向自動的基礎(chǔ)上，增加位置信息來源，對于民船來說，位置信息多是來自于GPS或北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。航跡控制是船舶按照電子海圖制定的預(yù)先航行路徑，自動完成的操舵方式，進入條件是在跡向條件的基礎(chǔ)上，自動操舵儀必須具有一條有效的航跡規(guī)劃路線。

基于以上的控制要求，制定的語音控制策略必須完全保證安全，且經(jīng)過反復(fù)確認(rèn)，防止誤操作，因此，設(shè)計的控制策略是以下兩種模式。

3.1 正常模式

切入“簡單”操舵方式：“簡單”語音識別→ “簡單操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次 → “條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為‘簡單’”→ 語音識別“確定”→ 完成切換。

切入“隨動”操舵方式：“隨動”語音識別→ “隨動操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次→“條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為‘隨動’→ 語音識別“確定”→ 完成切換。

切入“隨動”操舵方式：“隨動”語音識別→ “隨動操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次→“條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為“隨動””→ 語音識別“確定”→ 完成切換。

切入“航向自動”操舵方式：“航向自動”語音識別→ “航向自動操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次→ “條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為‘航向自動’”→ 語音識別“確定”→ 完成切換。

切入“跡向”操舵方式：“跡向”語音識別→ “跡向操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次→“條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為‘跡向自動’”→ 語音識別“確定”→完成切換。

切入“航跡”操舵方式：“航跡”語音識別→ “航跡操縱模式”播報2次→ “當(dāng)前操作模式”播報2次→“條件具備，請確認(rèn)操舵模式切換為‘航跡自動’”→ 語音識別“確定”→完成切換。

3.2 非正常模式

非正常模式是指自動舵信號源或本體出現(xiàn)故障的操舵方式選擇，包括人工干預(yù)操舵模式選擇和自動舵自動降功能使用。例如船舶處于航跡操舵模式，因衛(wèi)星導(dǎo)航信息缺失，自動操舵儀降功能為航向控制模式：

“GPS信號缺失”播報2次→“航跡操舵模式失效”播報2次→ 切入“航向自動操舵模式” 播報2次。

3.3 航行狀態(tài)參數(shù)播報

船舶航行過程中有很多重要的狀態(tài)參數(shù)需要駕駛?cè)藛T實時把控，對航行安全有著重要的意義，對應(yīng)不同的操舵模式，參數(shù)的選擇不同。

表1 航行狀態(tài)參數(shù)表

4 軟件設(shè)計

軟件采用KEIL進行編制，因為keil軟件中自帶有RL-RTX實時操作系統(tǒng)、RL-FlashFS文件系統(tǒng)、RL-TCPnet以太網(wǎng)通信協(xié)議棧、RL-CAN通信協(xié)議棧，為語音交互器提供了很好的軟件支撐。根據(jù)自動操舵儀語音交互器的功能，軟件由硬件初始化模塊、系統(tǒng)啟動任務(wù)、語音識別任務(wù)、語音播報任務(wù)、以太網(wǎng)通信任務(wù)、雙CAN通信任務(wù)、文件系統(tǒng)管理任務(wù)組成。硬件初始化模塊主要是對STM32F407VGT6的硬件外設(shè)進行配置，方便后續(xù)的軟件驅(qū)動調(diào)用。系統(tǒng)啟動任務(wù)主要是初始化、并啟動RTX實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。語音識別任務(wù)是根據(jù)XFS5152CE核心電路識別的語音代碼進行控制策略分析。語音播報任務(wù)是根據(jù)控制策略分析的結(jié)論，調(diào)取文件系統(tǒng)，組織播報代碼。以太網(wǎng)通信任務(wù)和雙CAN通信任務(wù)是滿足自動操舵儀內(nèi)部接口需要，進行控制指令的傳輸。其控制流程如圖5所示：

圖5 軟件流程圖

5 結(jié) 語

船舶自動操舵儀語音交互器是軟硬件結(jié)合的一種嵌入式系統(tǒng)，打通了人類語音和船舶操縱控制的信道，開拓了新的船舶控制方式，極大地節(jié)約了人力物力，增強了船舶操縱的安全性和舒適性，具有較大的經(jīng)濟價值和應(yīng)用前景。