（控制科学与工程专业论文）移动机器人语音识别系统的研究与实现.pdf

必剃 学位论文数据集 中图分类号t p 2 4 2学科分类号 5 2 0 2 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 0 1 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名杨智鑫学号 2 0 0 8 0 0 0 8 0 l 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 1 1 0 0 课题来源国家8 6 3 项目研究方向语音识别 论文题目移动机器人语音识别系统的研究与实现 关键词移动机器人，语音识别，端点检测，d t 、，语音控制 论文答辩日期 2 0 1 1 5 3 l论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师高美娟教授北京联合大学信息处理、机器人技术 评阅人l 楚纪正 教授北京化工大学 过程建模、先进控制 评阅人2 李大字副教授北京化工大学人工智能、先进控制 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会揣 王建林 教授北京化工大学智能检测、软测量 答辩委员l曹柳林教授北京化工大学自适应控制 答辩委员2李宏光 教授北京化工大学工业过程智能控制 答辩委员3黄克谨教授北京化工大学工业过程建模控制优化 答辩委员4陈娟教授北京化工大学智能检测、先进控制 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 的键盘式的输入已经无法满足人们的需求。因此，语音这种人类社会特有 的最自然、最直接的交流方式必将成为未来人机交互的主流方式。语音控 制机器人的研究将对未来智能机器人的发展起到关键性作用。本论文就如 何通过语音识别实时的控制移动机器人的问题进行了深入研究。 首先，根据语音识别的流程，对影响语音识别效果的各部分做了研究， 其中包括：1 对语音信号的预处理以及端点检测部分的研究，对双门限端 点检测算法在使用不同参数作为门限时的效果，进行了比较。2 对几种特 征参数提取方法做了研究，如l p c c 和m f c c 等，并通过实验比较了各 参数的特点。3 对语音识别算法做了深入研究，其中包括，动态时间规整 ( d t w ) 算法以及隐马尔可夫( h m m ) 模型算法，深入研究了各算法在 使用时会遇到的问题，对传统算法做了改进，并通过仿真实验比较了各算 法及其改进算法的识别效果。 其次，由于本系统是对移动机器人的语音控制，所以根据系统特点， 本系统所使用的语音识别是针对特定人的孤立词语音识别。在综合考虑了 系统需求以及本文的仿真实验比较结果后，选择了适合本系统的识别算 北京化工大学硕。e 学位论文 法，并使用v c 完成编程工作。 最后，对整个移动机器人的语音控制系统做了设计与实现。其中，为 了保证系统的实时性，基于v c 设计了实时自动录音系统。之后完成了整 个系统的连接与调试，并在实验室环境下对该系统进行了实验，根据实验 结果提出了动态调整参数的方法来改进系统性能，并再次进行了实验，结 果达到了预期的效果。 关键词：移动机器人，语音识别，端点检测，动态时间规整，隐马尔可夫， 实时录音 i i a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs p e e c h r e co g n i t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t mt h er o b o t sw i t hm a n yl ( i n d so f 如n c t i o n a r e w i d e l y u s e di nv 撕o u s p r o d u c t i o n a i l d m a n u f a c 衄i n g i n d u s t r i e s m e a n w h i l e ，i n t e l l i g e n tr o b o t sw h i c hp o s s e s s1 0 t so fo t h e ra p p l i c a t i o nh a v e e m e 玛e d i no u re v e 巧d a y1 i f e ，a sar e s u l t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h er o b o t g r a d u a l l y m o v e st o w a r d sc i v i l i a n i nt h ep r o c e s so fr o b o t sc o n t r o la n d 印p l i c a t i o n ，t h e 劬d i t i o n a l 研b o a r di n p u tm e t h o dh a sb e e nu n a b l et om e e tt h en e e d so fp e o p l e t h e r e f o r e ，嬲t h ep e c u l i a rr e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e 以t h e l a n g u a g ew m c hi st h em o s tn a t u r a la n dm o s td i r e c tf o mo fc o m m l 】n i c a t i o n w i l lb e c o m em em a i n s t r e a mw a yo ft h e 向n l r eh l l m a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n t h er e s e a r c ho fs p e e c hr e c o g n i t i o nf o rr o b o tc o n t r o lw i l lp l a yak e yr o l ei nt h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tr o b o t s t h ei s s u eo fs p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e mf o r m o b i l er o b o tc o n 廿o l i nr e a l - t i m ei sd e 印l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t ，a c c o r d i n gt om ep r o c e s so ft h es p e e c hr e c o g n i t i o n ，e a c hp a r tw h i c h c a na 仃e c tt h es p e e c hr e c o g n i t i o nh a sb e e nr e s e a h e d t h er e s e a r c hc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n g p a n s ： 1 t h er e s e a r c ho nt h ep r e t r e a t m e n ta n de n d p o i n td e t e c t i o np a r to ft h e i 北京化工大学硕士学位论文 s p e e c hs i g n a la n dt h ec o m p 撕s o no ft h ee 虢c tu s i n gd i 侬i r e n tp a r 乏皿e t e r sa s t h e e f | f i c i e n c yt h r e s h o l di nt h ed o u b l et l 聆s h o l de n d p o i n td e t e c t i o na l g o r i t h m 2 t h er e s e a r c ho nt h es e v e m lf e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d s ，s u c ha sl p c c a n dm f c c ，e t c ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe a c hp a r 锄e t e rh a v e b e e n c o m p a r e db ye x p e r i m e n t s 3 t h i s p 印e r s t u d i e st h e s p e e c hr e c o g n i t i o na l g o r i t h m ， i n c l u d i n g d y n a m i ct i m ew a 叩i n g ( d t 、聊a l g o r i t h ma n dh i d d e nm a r k o v ( h m m ) m o d e l a l g o r i t h m ，t h ep r o b l e m se m e 玛e di nt h eu s eo fe a c ha l g o r i t h m ，a n dt h e i m p r 0 v e m e n to ft h et r a d i t i o n a lm e t h o da n dt h ec o n l p a r i s o no fr e c o g n i t i o n r e s u l t so fe a c ha l g o r i t l l ma n di t s i m p r o v e da l g o r i t h mb ye x p e r i m e n t a l s i i n u l a t i o n s e c o n d ，也i ss y s t e mi st h es p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o t c o n t r o l ，a n da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ，t h e s p e e c h r e c o g i l i t i o ns y s t 锄u s e db yt h i ss y s t e mi sas p e a k e rd 印e n d e n t ，i s o l a t e dw o r d a n ds m a l l v o c a b u l a 巧e n l b e d d e ds p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t 锄a r e rt h e c o n s i d e i a t i o no fm e r e q u i r i 暑m e n t s o ft h i s s y s t e m a n dc o m p 撕s o no f 懿p e f i m e n t a lr e s u l t s ，t h es p e e c hr e c o g n i t i o na l g o r i t h m sw h i c hi ss u i t a b l ef o r t h i ss y s t e mh a sb e e ns e l e c t e d ，a i l dt h ep r o g r a m i l l i n gw o r kh a sb e e nc o m p l e t e d tr u s m gv 乙p r o g r a m m m gl a n g u a g e f i n a l l 弘t h es p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o tc o n 仃o lh a sb e e n d e s i g n e da n dr e a l i z e d i no r d e rt og u a r a l l t e et h er e a l t i m e 刚o 彻a n c eo ft h e s y s t e m ，t h er e a l t i m ea u t o m a t i cr e c o r d i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do n a b s t r a c t v cp r o g r 猢i n gl a n g u a g e a r e rm ec o l l i l e c t i o na n d d e b u g g i n g o ft h es y s t e m ， m i ss y s t e mh a sb e e nt e s t e di nt h el a b o m t o 巧e n v i r o m e n ta n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sh a v ea c h i e v e do u ra 1 1 t i c i p a t e de 虢c t s k e yw o r d s ：m o b i l er o b o t ，s p e e c h r e c o g l l i t i o n ，e n d p o i n td e t e c t i o n ， d t w ，h m m ，r e a l t i m es o u n dr e c o r d i n g v 北京化工大学硕士学位论文 v i 1 4 1 语音识别系统的分类4 1 4 2 典型的语音识别系统5 1 4 3 语音识别相关技术6 1 5 研究内容和方法7 第二章语音信号的预处理及端点检测9 2 1 语音信号的预处理9 2 1 1 语音信号的滤波和采样9 2 1 2 语音信号的分帧加窗10 2 2 语音信号的端点检测1 1 2 2 1 语音的短时能量和平均幅度1 2 2 2 2 语音的短时过零率和短时过门限率。1 3 2 2 3 双门限法原理15 2 3 本章小结l7 第三章特征参数的提取1 9 3 1 几种特征参数的提取1 9 3 1 1 线性预测系数的提取1 9 3 1 2 线性预测倒谱系数的提取2 2 v i i 北京化工人学硕1 ：学位论文 3 1 3 梅尔频率倒谱系数的提取2 4 3 1 4l p c 梅尔频率倒谱系数的提取2 6 3 2 特征参数提取的仿真实验2 7 3 2 1 不同特征参数对识别率的影响2 7 3 2 2 差分参数对识别率的影响2 7 3 3 本章小结2 9 第四章d t w 算法及其改进方法31 4 1d t w 算法基本原理31 4 2d t w 的改进方法3 4 4 2 1 整体路径约束3 4 4 2 2 搜索宽度限制3 5 4 3d t w 在应用中的改进一3 6 4 3 1 实时录音对语音识别的影响3 6 4 3 2d t w 的改进3 7 4 4d t w 的仿真实验3 8 4 5 本章小结4 0 第五章h m m 算法及其改进方法4 l 5 1h m m 模型的介绍4 l 5 1 1 马尔可夫( m a r k o v ) 链4 1 5 1 2 隐马尔可夫模型h m m 4 2 5 2 隐马尔可夫模型的使用4 3 5 2 1h m m 模型各主要部分的计算4 3 5 2 2 输出概率p 的计算4 4 5 2 3 求解状态转移序列4 6 5 2 4 模型参数训练4 7 5 2 5h m m 在本系统中的问题4 9 v i i i 目录 5 3h m m 训练过程的改进5 0 5 3 1 传统h m m 模型状态的初值选取5 0 5 3 2 改进h m m 模型状态的初值选取5 l 5 4h m m 及其改进方法的仿真比较5 l 5 4 1h m m 与其改进方法训练部分仿真比较5 2 5 4 2h m m 与其改进方法以及d 1 w 算法识别效果仿真比较5 3 5 5 本章小结一5 5 第六章移动机器人语音识别系统5 7 6 1 语音识别系统程序设计5 7 6 1 1 语音识别系统的结构设计5 7 6 1 2 录音子系统的程序设计5 8 6 1 3 语音识别算法子系统6 2 6 2 本课题使用的移动机器人系统介绍一6 3 6 2 1 移动机器人硬件介绍6 3 6 2 2 移动机器人控制系统介绍：一6 4 6 3 移动机器人语音识别系统效果检验。6 6 6 3 1 移动机器人语音识别系统运行过程介绍6 6 6 3 2 移动机器人语音识别系统实验6 6 6 3 3 系统参数对识别效果的影响6 7 6 3 4 参数的动态调整方法对识别效果的影响6 8 6 4 本章小结6 9 第七章总结与展望7 l 7 1 结论7 l 7 2 展望7 2 参考文献7 3 i x 北京化工大学硕i ：学位论文 致谢7 7 研究成果及发表的学术论文7 9 作者及导师简介8 l x c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k 黟a n da n ds i 伊i f i c a n c eo f t h et o p i c 1 1 2c 哪r e l l ts i t l l a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs p e e c hr e c o 盟i t i o na n dm o b i l em b o t l 1 3s 仰c m r eo f t l l es p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t 锄3 1 4t h es p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t e m 4 1 4 1c a t e g o r yo fs p e e c hr e c o 鲥t i o ns y s t e m 4 1 4 2t y p i c a ls p e e c hr e c o g n i t i o ns y s t e m 5 1 4 3s p e e c hr e c o 印i t i o nt e c l l i l o l o 百e s 6 1 5r e s e a r c hc o n t e l l t sa n dm e t h o d s 一7 c h a p t e r2p r e t r e a t m e n ta n de n d p o i n t d e t e c t i o no f s p e e c hs i g n a l s 9 2 1p r e t r e a t m e n to fs p e ec _ hs i g n a l s 9 2 1 1f i l t e r i n ga n ds 锄p l i n go fs p e e c hs i g n a l s 9 2 1 2e n 6 锄i n ga n dw i n d o wa d d i n go f s p e e c hs i g n a l s 1 0 2 2e n d p o i n td e t e c t i o no fs p e e c hs i 盟a l s 1 1 2 2 1s h o r t t e 咖e n e r g ya n da v e r a g er ，越g eo f s p e e c hs i g ：l a l s 1 2 2 2 2t h es h o r t t i m ez e r o c r o s s i n gr a t ea n ds h o r t t i m et h r e s h o l d c r o s s i n gr a t eo fs p e e c h s i 觚a l s 1 3 2 2 3d o u b l et h r e s h o l da l g o r i t h m 15 2 3c h 叩t e rs 啪m a r y 1 7 c h a p t e r3f e a t u r ee x t r a c t i o n l 9 3 1m e t h o d so f f e a c u r ee x t r a c t i o n 1 9 3 1 1l i n e a rp r e d i c t i o nc o e 施c i e n t s 1 9 北京化工大学硕七学位论文 3 1 2l p cc 印s t n 埘c o e 伍c i e l l t s 2 2 3 1 3m e l 舶q u e l l c yc 印s t m mc o e 佑c i 肌t s 2 4 3 1 4l p cm e lf r e q u e n c yc e p s t m mc o e m c i e n t s ( l p c m c c ) 2 6 3 2s i m u l a t i o ne x p 甜m e n to f f e a t u r ee x 仃a c t i o n 二2 7 3 2 1t i l ei n n u e l l c eo f d i 蹶e n tf e a t u r ee x t r a c t i o no nr e c o 朗i t i o nr a t e 2 7 3 2 2n l ei n f l u e n c eo fd i f 诧r e n t i a lp a 埘n e t e r so nr e c o 印i t i o nr a t e 2 7 3 3c h a 印t e rs u m m a r y 2 9 c h a p t e r 4d t w a l g o r i t h ma n di m p r o v e dm e t h o d s 3 l 4 1b a s i cp n n c i p l eo fd t w a l g o r i t l 蛐3 1 4 2h i l p r o v e dm e m o d so fd t w 3 4 4 2 1o v e r a l lp a t l lc o n s t r a i n t s 3 4 4 2 2l i m i to f t l l es e a r c hw i d m 3 5 4 3p r o b l e mi nu s ea i l di m p m v e dm e t h o d 3 6 4 3 1p r o b l 锄i nu s eo f d t w 3 6 4 3 2i m p r o v e dm e 1 0 d 。3 7 4 4d 1 ws i 舢l a t i o ne x p e r i m e i l t s 3 8 4 5c h a 印t e rs u l 胁a r ) r 4 0 c h a p t e r5h m ma l g o r i t h ma n di m p r o v e dm e t h o d s 4 l 5 1h m mm o d e l 4 l 5 1 1 【a r k o vc h a i n 4 1 5 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e e c hr e c o 鲈i t i o ns y s t e i i l 5 7 6 1 1s t m c 衄a ld e s i 弘o f t l l es p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t 锄5 7 6 1 2p r o 黟a md e s i 朗o f t l l er e c o r d i n gs u b s y s t e m 一5 8 6 1 3s p e e c hr e c 0 鳃i t i o ns u b s y s t 锄6 2 6 2i n 们d u c t i o no fm o b i l er o b o ts y s t e m 6 3 6 2 1i n t r o d u c t i o no f t h em o b i l er o b o th a r d w a r e 6 3 6 2 2i n t r o d u “o no f m em o b i l er o b o tc o n t r o ls y s t e l n 6 4 6 3t h et e s to fs p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t a nf o rm o b i l er o b o tc o n t r 0 1 6 6 6 3 1n l ep r o c e s so f s p e e c hr e c o 印i t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o tc o n t r o l 6 6 6 3 2e x p e r i m e n t so f s p e e c hr e c o 髓i t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o tc o n t r o l 6 6 6 3 3t h ee f f e c to fp a r 锄e t e r so nr e c o 髓i t i o n 6 7 6 3 4t h ee f f e c to f p a r a m e t e r sd y i l 锄i ca d j u s t l i l e n tm e t h o do nr e c o 印i t i o n 6 8 6 4c h a r p t e rs u i n m a r y 6 9 c h a p t e r 7c o n c h l s i o n 。7 1 7 1c o n c l u s i o n 一7 1 7 2i s s u e so u t l o o k 7 2 x i l i 【一 北京化工大学硕士学位论文 r e f b r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 。7 7 t h ep a p e ra l r e a d yp u b l i s h e d 7 9 t h ei n t r o d u c eo ft u t o ra n da u t h o r 81 x l v 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 第一章绪论 随着计算机技术、电路电子技术、通信网络技术等技术的飞速发展，人类 社会已经进入了全新的后p c 时代。各种各样的新型智能型的计算机设备已经出 现在我们生活和工作的各个角落，为了能够更好更便利的使用这些设备，如何提 高人机交互的效率就成为了一个十分重要的研究内容。目i ； f 各种设备的人机交互 方式是以键盘为主的，这有许多的不便之处，对于一些有身体障碍的人来说更加 的困难。而语言是人与人之间进行沟通与交流的最直接、最自然的方式。因此如 果通过语音方式来完成机器的控制，就将极大限度的提高设备的使用效率，同时 也给了不同的人群更多的选择。 随着机器人技术渐渐的向着智能型的高级阶段的发展，人与机器之间的交 流将变得频繁而随意，对于实用者人来说，希望能够通过最简单最直接的方式将 自己的意识和指令传达给“被使用者”机器人，而且这种实用的方式最好是无需特 别学习的，大多数人与生俱来的。所以具有直接快速特点的“语言”就必将成为未 来人机交互的主流方式。这样不论使用者是谁，都能够在无需特别训练的基础上， 方便、熟练的使用机器人。 因此，语音识别控制移动机器人作为智能机器人的一个分支，具有重要的 研究和实用意义。 1 2 语音识别技术和移动机器人技术的现状和发展趋势 声音语言是人类社会日常生活中实用最频繁的交流方式，它是人作为具有极 高的思维和意识活动的高等生物所特有的方式。同时，通过声音语言进行交流， 也是我们人类之间最方便与直接的一种交流方式，当然它也是我们梦想中的未来 社会所使用的最理想的与机器交流的方式。 语音识别技术是2 1 世纪信息技术方面的重大发展技术之一，我们人类长久 以来的一个梦想就是能与我们自己创造出来的机器人进行对话与交流，让机器人 通过语言明白我们要表达的意思。语音识别技术就是为了这一目的所发展而来 的，语音识别就是要让机器通过识别过程和理解过程将语音指令变为对应的文本 或者指令。 语音识别技术是一门综合性交叉学科，它正在逐步发展成为计算机人机接 口技术的关键性技术。国外从上世纪末已经开始了对语音识别技术的研究，一开 始的语音识别技术的研究是针对电话线路上的模拟信号的，真正有意义的语音识 北京化工大学硕卜学位论文 别技术的研究是从上世纪5 0 年代开始的。 1 9 5 2 年d a 啊s 等人研制成功了世界上第一个能够识别由同一个人发音的1 0 个数字的英语的语音识别实验系统。1 9 6 0 年d e n e s 等人成功研发出了第一个基 于计算机的语音识别系统。到7 0 年代，语音识别的相关产品陆续进入市场。进 入8 0 年代，许许多多专用的语音识别技术的芯片陆续开始了生产。 在中国，汉语的语音识别技术的研究工作起步较晚，不过却有着很快速的 发展。如今在国内的，专门从事语音识别方面的研究的部门有：清华、北京大学、 哈工大等许多大学，以及中科院下属的一些研究所。国内的语音识别研究结合了 一些汉语发音的特点，不论从理论方面还是实用系统方面都有了不小的成就。台 湾以l i s l e 教授为核心的研究小组研究了一个专门用于汉语语音识别的实时汉语 听写机g o l d e l lm 锄d 撕n ，在汉语语音识别技术方面有这较高的科研水准。 如今我国对于语音识别技术也给予了很高的重视，国家科委高技术司以及 国家“8 6 3 ”计划专家组通过了在江门建立国家高技术研究发展计划语音识别成果 转化基地的决定。基地的建立有着很重要的实际意义。目前，在这里已经成功设 计研制了拥有很大存储空间的易操作的语音电话，它使用了清华大学的最新语音 识别技术的研究成果，其识别的准确率已经达到了9 6 以上。同时很多具有很好 的通用性的语音识别模块也已经研制成功，并已经投入生产。这些都标志着在我 国语音识别技术将要得到很快速的发展，并拥有很好的应用前景。 作为人类2 0 世纪的最伟大发明之一，机器人技术在最近的二三十年得到了 十分迅猛的发展，目前已经成为了一门综合性的交叉学科【l 。3 】。它同时集成了机 械工程原理、电路电子技术、传感器技术、自动化控制理论、人工智能学与计算 机原理等的多种学科原理的最新技术成果。从上世纪5 0 年代诞生了世界历史上 的第一台机器人装置至今，机器人发展的历程度过了一个从低级到高级的过程。 机器人这一概念的含义也变得越来越广泛。最开始的顺序控制机器人，他们只能 够按照事先编译好的指令顺序完成工作，发展到现在已经出现了各种各样的智能 型机器人，他们可以根据环境的变化灵活的完成工作，只需要人们提出任务目标 和部分的轨迹内容，机器人可根据已有的信息设计出最终的完善的控制程序。 随着机器人学的发展，机器人发展出了很多种分支，移动机器人是机器人 的一个重要的研究分支，自上世纪7 0 年代以来，移动机器人方面的研究有了较 大的发展，随着计算机、传感器、人工智能等技术的飞速发展，对移动机器人的 开发涉及到了对机械构造、整体结构、智能导航与定位、路径规划、运动控制、 多传感器的信息融合、故障诊断、容错控制以及移动机器人导航控制平台等。进 入9 0 年代以后，结合信息传感器的高水平信息处理技术、具有更高的适应性的 移动型机器人技术，进一步推动了移动机器人的研究和发展【4 】。从而衍生出了如 2 第一章绪论 远程遥控式移动机器人( r e m o t eo p e r a t i o nm o b i l er o b o t ) 、空间型机器人( s p a c e m o b i l er o b o t