智能机器人语音控制系统的设计.doc

智能机器人语音控制系统的设计 摘要 语音识别技术是当今世界的研究热点之一 一直受到学术界和企业的普遍关注 语音识别技术的应用对于智能机器人的实用化会取到巨大的作用 同时 通过智能机 器人这一平台 也可以更好的研究语音技术的实用化问题 从而使之得到更广泛的运 用 本系统的设计的目的就是为了方便人机交互 论文首先介绍了智能机器人语音识 别技术的发展历程 并分析了影响机器人语音识别的主要因素 然后详细介绍了语音 识别的原理以及在语音信号处理过程中采用的分析方法和技术 接着介绍了芯片 SPCE061A 单片机的特点 并以此芯片为主控芯片建立起了语音控制系统的硬件结构 并编写了相应的程序 最后 通过对系统进行了调试和仿真得出结论 该机器人采用 语音识别对机器人进行控制 可以完成向前走 倒退 左转 右转 停止 发射等功 能 关键字 SPCE061A 单片机 机器人 语音识别 调试和仿真 THE DESIGN OF SPEECH CONTROLLED INTELLIGENT ROBOT SYSTEM ABSTRACT Speech recognition technology is one of the focus of today s world has been the general concern of academia and business Speech recognition technology for intelligent robots will be practical to take a great role Meanwhile the intelligent robot platform can better study the practical problems speech technology thus making it more widely used The purpose of this design is to facilitate human computer interaction First the paper introduces the development process of the intelligent robot voice recognition technology and analyzes the impact of the main factors to the robot speech recognition Then it introduces the principle of speech recognition and speech signal processing methods and techniques used in analysis And then it describes the characteristics of the chip microcomputer SPCE061A and to establish a voice control system hardware structure of this system compiled the corresponding program Finally the system was debugged and simulated The conclusion is that the robot speech recognition to control the robot can be done forward backward turn left turn right stop firing and other functions Key word SPCE061A MCU robotics peech recognition debugging and simulation 目录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 智能机器人概述及现状 2 1 2 1 智能机器人概述 2 1 2 2 智能机器人发展方向 3 1 3 语音识别技术的概述 5 1 4 语音识别的发展历史 5 1 4 1 国外研究历史及现状 5 1 4 2 国内研究历史及现状 7 1 5 语音识别技术的前景和应用 7 1 6 影响智能机器人语音识别系统设计的主要因素 8 1 7 论文主要研究内容 9 2 语音识别原理和设计采用方案 10 2 1 语音识别的分类 10 2 2 语音识别基本原理 10 2 3 语音信号预处理 11 2 4 特征量的提取 12 2 4 1 线性预测分析 13 2 4 2 倒谱分析 15 2 5 模式匹配及模型训练技术 15 2 6 本设计选用的方案 16 2 6 1 系统采用的芯片 16 2 6 2 系统采用的语音识别算法 17 3 智能机器人语音控制系统硬件电路设计 19 3 1 设计总体方案 19 3 2 SPCE061A 单片机的主要特点 20 3 3 电源模块 21 3 4 MIC 输入模块 22 3 5 语音输出模块 23 3 6 超声波传感模块 23 3 7 通信模块 24 3 8 机器人动作模块 25 4 智能机器人语音控制系统软件设计 27 4 1 设计总体方案 27 4 2 语音识别模块 29 4 3 语音训练模块 30 4 4 语音播放模块 31 4 5 机器人动作模块 32 5 系统调试及仿真 33 5 1 系统调试 33 5 1 1 硬件调试 33 5 1 2 软件调试 33 5 2 系统仿真 34 5 3 结论 35 参考文献 36 致谢 37 附录 设计源程序 38 附件 附件 1 开题报告 文件综述 附件 2 译文及原件影印件 第 1 页 共 43 页 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着现代科学技术和计算机技术的发展 人们在与计器的信息交流中 需要一种 更加方便 自然的方式 语言是人类最重要 最有效 最常用的和最方便的通信形式 这很容易让人想到能否用自然语言代替传统的人机叫交流方式 如键盘 鼠标等 人 机自然语音对话就意味着机器应具有听觉 能听懂人类的口头语言 这就是语音识别 的功能 语音识别是语音信号处理的重要研究方向之一 控制论创始人维纳在 1950 年 曾指出 通常 我们把语音仅仅看作人与人之间的通信手段 但是 要使人向机器 机器向人以及机器讲话 那也是完全办得到的 语音是语言信息的载体 语音识别的基本任务是将输入的语音转化为相应的语言 代码 这样 不仅使存储或传输这样的语言代码时的数码率比起存储或传输原来有语 音信号来大幅降低 而且还在于它把一种连续的语音信号变成一种有限符号 这样的 符号容易被计算机理解其含义 并且便于与人类交流 因而语音识别得到十分广泛的 应用 随着计算机技术 模式识别和信号处理技术及声学技术等的发展 使得能满足各 种需要的语音识别系统的实现成为可能 近二三十年来 语音识别在工作 军事 交 通 医学 民用诸方面 特别是在计算机 信息处理 通信与电子系统 自动控制等 领域中有着广泛的应用 当今 语音识别产品在人机交互应用中己经占到越来越大 1 的比例 近年来 随着消费类电子产品对低成本 高稳健性的语音识别芯片的需求快 速增加 使得语音识别系统大量地从 PC 机转移到嵌入式设备中 通过研究者的不断努 力 现在嵌入式非特定人语音识别系统识别精度己经达到 85 以上 而对特定人语音 识别系线的识别精度就更高了 嵌入式语音识别系统与 PC 机的语音识别系统相比 虽然其运算速度和存储容量有 限 但它具有自己的一些特点 首先 除语音识别功能外 为了有一个友好的人机界 面和对识别正确与否的验证 该系统还具备语音提示及语音回放功能其次 嵌入式语 音识别系统多为实时系统 即当用户说完待识别的词条后 系统立即完成识别功能洋 右乐回应 最后 嵌入式语音识别系统具有体积小 可靠性高 耗电省 投入少 价 格低廉并且便携性好 可支持移动作业等优点 这是嵌入式语音识别系统与 PC 机的语 第 2 页 共 43 页 音识别系统相比最大的优势 嵌入式语音识别系统的优点使得其应用的领城十分广泛 从研究现状来看 作为语音识别的标志性技术 无限词汇量 非特定人 连续语 音识别系统在比较安静环境下 对于比较正式的书面语言已经达到了相当高的使用程 度 在限定环境下还能达到更好的效果 我们仍要进一步提高识别系统对不同环境 不同说话人和不太说话内容的稳健性 语音识别技术主要包含几个方面 语音控制 电子发声 连续语音识别 非连续 语音识别和语音学习 目前主要是在支持中英文混合识别问题上 存在一些障碍 同 时在识别大量词汇和个别发音方面还很难做到准确 作为语音识别技术新方向的语音 学习 它则要求人模仿标准发音 其面临的困难是如何衡量人的好坏 1 2 智能机器人概述及现状 1 2 1 智能机器人概述 我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人 它给人的最深刻的印象是一个独特的 进行自我控制的 活物 其实 这个自控 活物 的主要器官并没有像真正的人那样 微妙而复杂 智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器 如视觉 听觉 触觉 嗅觉 除具有感受器外 它还有效应器 作为作用于周围环境的手段 这就是筋肉 或称自整步电动机 它们使手 脚 长鼻子 触角等动起来 我们称这 种机器人为自控机器人 以便使它同前面谈到的机器人区分开来 它是控制论产生的 结果 控制论主张这样的事实 生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的 正 像一个智能机器人制造者所说的 机器人是一种系统的功能描述 这种系统过去只能 从生命细胞生长的结果中得到 现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了 2 智能机器人能够理解人类语言 用人类语言同操作者对话 在它自身的 意识 中单独形成了一种使它得以 生存 的外界环境 实际情况的详尽模式 它能分析 出现的情况 能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求 能拟定所希望的动 作 并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作 当然 要它和 我们人类思维一模一样 这是不可能办到的 不过 仍然有人试图建立计算机能够理 解的某种 微观世界 比如维诺格勒在麻省理工学院人工智能实验室里制作的机器人 这个机器试图完全学会玩积木 积木的排列 移动和几何图案结构 达到一个小孩子 的程度 这个机器人能独自行走和拿起一定的物品 能 看到 东西并分析看到的东 西 能服从指令并用人类语言回答问题 更重要的是它具有 理解 能力 为此 有 第 3 页 共 43 页 人曾经在一次人工智能学术会议上说过 不到十年 我们把电子计算机的智力提高了 10 倍 如维诺格勒所指出的 计算机具有明显的人工智能成分 机器人现在已被广泛地用于生产和生活的许多领域 按其拥有智能的水平可以分为 三个层次 一是工业机器人 它只能死板地按照人给它规定的程序工作 不管外界条件有何变化 自己都不能对程序也就是对所做的工作作相应的调整 如果要改变机器人所做的工作 必须由人对程序作相应的改变 因此它是毫无智能的 二是初级智能机器人 它和工业机器人不一样 具有象人那样的感受 识别 推理和判 断能力 可以根据外界条件的变化 在一定范围内自行修改程序 也就是它能适应外界条 件变化对自己怎样作相应调整 不过 修改程的原则由人预先给以规定 这种初级智能 机器人已拥有一定的智能 虽然还没有自动规划能力 但这种初级智能机器人也开始走向 成熟 达到实用水平 三是高级智能机器人 它和初级智能机器人一样 具有感觉 识别 推理和判断能力 同样可以根据外界条件的变化 在一定范围内自行修改程序 所不同的是 修改程序的原 则不是由人规定的 而是机器人自己通过学习 总结经验来获得修改程序的原则 所以它 的智能高出初能智能机器人 这种机器人已拥有一定的自动规划能力 能够自己安排自 己的工作 这种机器人可以不要人的照料 完全独立的工作 故称为高级自律机器人 这 种机器人也开始走向实用 1 2 2 智能机器人发展方向 不过 尽管机器人人工智能取得了显著的成绩 控制论专家们认为它可以具备的 智能水平的极限并未达到 问题不光在于计算机的运算速度不够和感觉传感器种类少 而且在于其他方面 如缺乏编制机器人理智行为程序的设计思想 你想 现在甚至连 人在解决最普通的问题时的思维过程都没有破译 人类的智能会如何呢 这种认识 过程进展十分缓慢 又怎能掌握规律让计算机 思维 速度快点呢 因此 没有认识 人类自己这个问题成了机器人发展道路上的绊脚石 制造 生活 在具有不固定性环 境中的智能机器人这一课题 近年来使人们对发生在生物系统 动物和人类大脑中的 认识和自我认识过程进行了深刻研究 结果就出现了等级自适应系统说 这种学说 3 正在有效地发展着 作为组织智能机器人进行符合目的的行为的理论基础 我们的大 脑是怎样控制我们的身体呢 纯粹从机械学观点来粗略估算 我们的身体也具有两百 多个自由度 当我们在进行写字 走路 跑步 游泳 弹钢琴这些复杂动作的时候 第 4 页 共 43 页 大脑究竟是怎样对每一块肌肉发号施令的呢 大脑怎么能在最短的时间内处理完这么 多的信息呢 我们的大脑根本没有参与这些活动 大脑 我们的中心信息处理机 不屑于 去管这个 它根本不去监督我们身体的各个运动部位 动作的详细设计是 在比大脑皮层低得多的水平上进行的 这很像用高级语言进行程序设计一样 只要指 出 间隔为一的从 1 20 的一组数字 机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作 系统 最明显的就是 一接触到热的物体就把手缩回来 这类最明显的指令甚至在大 脑还没有意识到的时候就已经发出了 把一个大任务在几个皮层之间进行分配 这比控制器官给构成系统的每个要素规 定必要动作的严格集中的分配合算 经济 有效 在解决重大问题的时候 这样集中 化的大脑就会显得过于复杂 不仅脑颅 甚至连人的整个身体都容纳不下 在完成这 样或那样的一些复杂动作时 我们通常将其分解成一系列的普遍的小动作 如起来 坐下 迈右脚 迈左脚 教给小孩各种各样的动作可归结为在小孩的 存储器 中形 成并巩固相应的小动作 同样的道理 知觉过程也是如此组织起来的 感性形象 这是听觉 视觉或触觉脉冲的固定序列或组合 马 人 或者是序列和组合二者兼而 有之 学习能力是复杂生物系统中组织控制的另一个普遍原则 是对先前并不知道 在 相当广泛范围内发生变化的生活环境的适应能力 这种适应能力不仅是整个机体所固 有的 而且是机体的单个器官 甚至功能所固有的 这种能力在同一个问题应该解决 多次的情况下是不可替代的 适应能力这种现象 在整个生物界的合乎目的的行为中 起着极其重要的作用 控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力 建立机器人控制的等级 首先是在机器人的各个等级水平上和子系统之间实行知觉功能 信息处理功能和控 制功能的分配 第三代机器人具有大规模处理能力 在这种情况下信息的处理和控制 的完全统一算法 实际上是低效的 甚至是不中用的 所以 等级自适应结构的出现 首先是为了提高机器人控制的质量 也就是降低不定性水平 增加动作的快速性 为 了发挥各个等级和子系统的作用 必须使信息量大大减少 因此算法的各司其职使人 们可以在不定性大大减少的情况下来完成任务 总之 智能的发达是第三代机器人的 一个重要特征 人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别 有的人甚至依 此将机器人分为以下几类 受控机器人 零代 机器人 不具备任何智力性能 是由人来掌握操纵的机械手 可以训练的机器人 第一代机器人 拥有存储器 由 第 5 页 共 43 页 人操作 动作的计划和程序由人指定 它只是记住 接受训练的能力 和再现出来 感觉机器人 机器人记住人安排的计划后 再依据外界这样或那样的数据 反馈 算出动作的具体程序 智能机器人 人指定目标后 机器人独自编制操作计划 依 据实际情况确定动作程序 然后把动作变为操作机构的运动 因此 它有广泛的感觉 系统 智能 模拟装置 周围情况及自身 机器人的意识和自我意识 1 3 语音识别技术的概述 语音识别技术 也被称为自动语音识别 Automatic Speech Recognition ASR 其 目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入 例如按键 二进制编码 或者字符序列 与说话人识别及说话人确认不同 后者尝试识别或确认发出语音的说 话人而非其中所包含的词汇内容 语音识别技术的应用包括语音拨号 语音导航 室内设备控制 语音文档检索 简单的听写数据录入等 语音识别技术与其他自然语言处理技术如机器翻译及语音合 成技术相结合 可以构建出更加复杂的应用 例如语音到语音的翻译 语音识别技术所涉及的领域包括 信号处理 模式识别 概率论和信息论 发声 机理和听觉机理 人工智能等等 4 1 4 语音识别的发展历史 1 4 1 国外研究历史及现状 语音识别的研究工作可以追溯到 20 世纪 50 年代 AT 5 如果不能通过回归测试 则撤销此次修改 并重复上述过程 直到错误得以 正 其中第一项工作的工作量最大 大约占调试总工作量的 95 因而根据错误迹象 去定位错误是调试过程的重中之重 经过硬件 软件单独调试后 便可进入硬件和软 件的联合仿真调试阶段 以找出软硬件之间不匹配的地方 反复修改和调试 5 2 系统仿真 机器人语音控制系统将语音识别结果通过串口通讯发送给主控板 可以控制机器 人完成前进 后退 左转 右转和停止等功能 智能机器人语音控制系统调试步骤如下 1 将麦克风从电路板中引出来安放在机器人壳体上 喇叭固定在内侧 用户可 以和机器人正面交谈 2 启动 u nSP IDE 打开机器人实例程序 编译 连接确认没有错误 3 下载程序到机器人的 61 板上 将机器人系统进行组装 4 打开机器人的电源 进行语音训练 训练指令有 名称 开始 前进 后退 左转 右转 停止 发射 这几条指令 每条指令训练两边 当一 条指令被正确识别时会提示进入下一条 如果没有被识别要重新训练 知道被识别为 止 5 进行语音能识别状态 要执行动作首先要触发名称 然后在识别其他指令 智能机器人在识别过程中最好选择一个安静的环境 这样识别效率高 稳定性好 指令能被很好的识别 另外声音的音调也对识别产生影响 在识别过程中 音调不要 有很大变化为好 第 35 页 共 43 页 5 3 结论 论本文主要研究智能机器人语音控制的系统 并且进行了硬件结构和软件的设计 实现了人对机器人的语音控制 使机器人智能化 具有语音功能 本文主要研究结论概述如下 1 本设计中 依据语音识别原理 选择采用动态时间规整算法作为语音识别算 法 实现了机器人的语音识别 并且选用 SPCE061A 单片机作为主控制芯片 2 系统硬件电路要求就是具有体积小 性价比高等特点 系统以 SPCE061A 单 片机为核心进行了语音输入 语音输出 电源电路 串行通信及机器人动作电路的设 计 外添加了超声波传感器 3 软件设计采用 C 言编写提取语音特征参数并进行识别的程序 进行了语音命 令训练 语音识别 语音播放等模块的软件设计 实现了人对机器人的语音控制和人 机语音交互功能 使机器人能识别人下达某些特定的指令 如 开始 前进 后 退 左转 右转 停止 发射 等 4 在测试中硬件与软件联合调试查出系统的故障 在语音识别过程中要保持安 静的环境和正常的声音语调 可以更好的实现机器人的语音控制和语音交互 第 36 页 共 43 页 参考文献 1 赵匀 武传宇 胡旭东等 智能机器人的研究进展及存在的问题 J 农业工程学报 2003 19 1 20 2 李学海 16 位语音型单片机 SPCE061A 实用教程基础篇 人民出版社 2007 年 3 月第 一版 3 李建红 人性化机器人的研究 设计与实现 D 北京 华北电力大学 2006 4 廖正和 智能机器人语音技术研究 D 贵州 贵州大学 2006 5 萧展南 机器人的发展 M 北京 机械工业出版社 1999 15 18 6 袁蕾 单片机语音处理技术与应用 J 太原大学学报 2008 9 1 126 129 7 刘幺和 宋庭新 语音识别与控制应用技术 M 北京 科学出版社 2008 24 30 8 朱定华 黄松 蔡苗 Protel99S 原理图和印制板设计 电子信息高等学校教材 清华大学 出版社 2004 年 1 月第一版 9 王炳锡等 实用语音识别基础 M 北京 国防工业出版社 2005 10 刘玄和 宋庭新 语音识别与控制应用技术 M 北京 科学出版社 2008 11 胡汉才 单片机原理与接口技术 M 北京 清华大学出版社 2004 12 张培仁 张志坚 高修峰 十六位单片机微处理器原理及应用 M 北京 清华大学出 版社 2005 13 罗亚非等 凌阳 16 位单片机 C 语言开发 M 北京 北京航空航天大学出版社 2006 14 谭浩强 C 程序的设计 M 北京 清华大学出版社 2001 15 马丽静 基于单片机控制的语音识别系统的软件开发 J 电脑开发与应用 2003 5 37 38 16 Lawrence Rabiner Biing Hwang Juang Fundamentals ofSpeech Recognition M 北京 清华大学出版社 1999 35 41 17 A N Goritov A M Korikov Optimality in Robot Design and Control J Automation and Remote Control 2001 V62 7 10 第 37 页 共 43 页 致谢 四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号 而于我的人生却只是一个逗号 我将面对又一次征程的开始 四年的求学生涯在师长 亲友的大力支持下 走得辛苦 却也收获满囊 在论文即将付梓之际 思绪万千 心情久久不能平静 在本论文的写 作过程中 我的导师曾喆昭老师倾注了大量的心血 从选题到开题报告 从写作提纲 到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题 严格把关 循循善诱 在此我表示衷心感谢 同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋 友 写作毕业论文是一次再系统学习的过程 毕业论文的完成 同样也意味着新的学 习生活的开始 最后向在百忙中为我评论毕业设计论文和参见答辩的各位专家和教授表示衷心的 感谢 第 38 页 共 43 页 附录 设计源程序 include bsrsd h include hardware h include SPCE061V004 h define NAME ID 0 x100 define COMMAND ONE ID 0 x101 define COMMAND TWO ID 0 x102 define Command three ID 0 x103 define Command four ID 0 x104 define Command five ID 0 x106 define RSP INPUT 0 输入触发命令 define RSP FISRT 1 请输入第一个命令 define RSP SECOND 2 请输入第二个命令 define RSP AGAIN 3 再说一遍 define RSP NOVOICE 4 没有任何声音 define RSP CMDDIFF 5 两次输入命令不一制 define RSP START 6 最备就绪 开始发布指令 define RSP READY 7 我最备好了 define RSP LOUD 8 请在重复一遍 define RSP GO 9 最备就绪 开始辩试 extern unsigned int BSR SDModel 100 存放语音内存首地址开始的前一百个数 据位 extern void ClearWatchDog unsigned int commandID 语音控制命令的标志号码 unsigned int g Ret int times d sure int gActivated 0 1 触发命令识别成功 0 无触发命令 int res timeCnt 0 int main 第 39 页 共 43 页 Int res jk k timeCnt 0 random no 0 iMoveFlag 0 xffff BS Flag 0 iMoveFlagBS 0 int uiIOB i ulAddr Ret free p I Key c chang 1 p 0 xef00 BS Flag p ClearWatchDog InitIO SP Export Port IOA Data 0 x0000 while chang 1 c SP GetCh 按键判断 if c 0 x0001 chang 0 BS Flag 0 xaaaa if c 0 x0002 chang 0 BS Flag 0 xffff System ServiceLoop 扫描按键 ClearWatchDog BSR DeleteSDGroup 0 初始化存储器 RAM if BS Flag 0 xffff PlayRespond 0 播放开始训练的提示音 while TrainWord NAME ID 0 0 训练用户名 while TrainWord COMMAND ONE ID 1 0 训练第一条命令 while TrainWord COMMAND TWO ID 2 0 训练第二条命令 while TrainWord Command three ID 16 0 训练第三条命令 while TrainWord Command four ID 15 0 训练第四条命令 第 40 页 共 43 页 BS Flag 0 xaaaa F FlashWrite1Word