智能控制课语音识别.doc

语音控制设计报告智能控制课程设计论文 题 目：基于机器人的语音信号识别系统设计院 （系）：专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011年 9月23日目 录一.方案的设计与论证1二.语音采集2三. 语音识别与控制3四.系统各模块的设计54.1 语音采集54.2LabVIEW简介6 4.3USB接口.7五.软件设计95.1 语音采集105.2 对语音的识别115.3 对机器人的控制12六.调试与测试13七. 实验小结14八. 参考文献15摘要通过机器进行语音交流，让机器明白你说什么，这是人们长期以来梦寐以求的事情。语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。结合语音处理的课设，这次我们利用LabVIEW图形化编程，将采集到的语音信号进行识别，实现机器人的语音控制。关键词：语音信号采集 智能处理 LabVIEW 语音控制Through the machine for voice communication, let the machine understand what you say, its a long dreamed of things. The speech recognition technology is to make the machine through the recognition and understanding the process of speech signal into the corresponding text or command high technology. The speech recognition technology mainly includes feature extraction technology, pattern matching criterion and model training three respects of technology. Combined with the class a speech processing time, we use LabVIEW graphical programming, will the collected voice signal recognition, realize the robot voice control. 一.方案设计与论证语音控制，即通过对语音的采发送到特定的上位机上，并通过程序对所取得的信号进行识别，然后使得机器人按照识别的语音信号进行工作。我们通过麦克风采集到的语音信号经过USB发送到上位机，进行识别并通过这些信号进行特征提取，对比后，存储到特定的区域，当再次接收到类似信号时，将其实别，并知道机器人按照特定的方式运行。二语音采集（1）：语音信号放大：因为话筒采集的声音信号极为弱小，一般小于5mv，所以在AD采集之前要对小信号进行隔离放大。测量放大器具有高输入阻抗，高放大倍数，抗噪性能好，可以对小信号进行很好的隔离与放大，所以选择该种放大器来做语音信号前置放大的核心放大电路。（2）：前向滤波：滤波要求通频带内平外陡。一般情况，巴特沃斯滤波器通频带较为平坦，而采用多阶滤波可提高陡度。所以采用5阶巴特沃斯低通和5阶巴特沃斯高通级联，效果挺好。（3）：数据采入：选择较高速AD采样芯片AD574作信号采样和转换处理，据奈奎斯特采样定理，系统分别采用了多种的采样速率对语音信号进行采样。下面则对读取和压缩数据的设计方案作比较。 方案（一）：使用CPLD或FPGA高速读入数据，继而在其内部进行压缩编码，不经过CPU直接送至存储器，而CPU只作一些控制功能。（用FPGA实现DMA功能） 方案（二）：使用单片机作控制兼数据处理功能。也即CPU控制读入采样数据，继而自行进行数据压缩，放至存储器。 两种方案都可以较好的进行语音压缩编码。方案1速度快，处理方便，可以作更多的算法处理，但价格昂贵，成本太高；方案2速度虽慢，但若使程序简练，算法精辟，速度可以达到要求，而且成本相对较低，故采用第二种方案。（4） ：数据压缩编码方式：采用常用的三种语音编码方式：即采即放PCM，插值IV，差分脉冲编码DPCM。三.语音识别与控制 1.语音识别的原理语音识别的基本过程 根据实际中的应用不同，语音识别系统可以分为：特定人与非特定人的识别、独立词与连续词的识别、小词汇量与大词汇量以及无限词汇量的识别。但无论那种语音识别系统，其基本原理和处理方法都大体类似。语音识别过程主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部分。预处理包括预滤波、采样和量化、加窗、端点检测、预加重等过程。语音信号识别最重要的一环就是特征参数提取。提取的特征参数必须满足以下的要求：(1)提取的特征参数能有效地代表语音特征，具有很好的区分性； (2)各阶参数之间有良好的独立性；(3)特征参数要计算方便，最好有高效的算法，以保证语音识别的实时实现。在训练阶段，将特征参数进行一定的处理后，为每个词条建立一个模型，保存为模板库。在识别阶段，语音信号经过相同的通道得到语音特征参数，生成测试模板，与参考模板进行匹配，将匹配分数最高的参考模板作为识别结果。同时，还可以在很多先验知识的帮助下，提高识别的准确率。通过语音识别确定每次采集到的信号，然后对机器人发送命令从而使得机器人能按照指定的命令工作。四系统各模块的具体设计与实现4.1语音采集系统组成及原理框图如图11所示。以下就各模块进行具体分析。 麦克风隔离放大器测量放大器AGC自动增益控制300Hz3.4kHz带通滤波器AD采样单片机波形上位机信号音频功放300Hz3.4kHz带通滤波器DA转换扬声器 （系统框图1-1）（1） ：小信号隔离放大的电路设计和实现:拾音器采集的信号极为弱小，且拾音器输出阻抗不可忽略，故放大前必须进行隔离，并尽量减小信号输出阻抗。本电路采用运放隔离电路,放大部分则分前置同向放大，测量放大及自增益控制放大电路。前置同向放大电路具有很高的输入阻抗，可以先将小信号进行适当放大，再用高抗噪的测量放大器进行大幅度放大，自增益控制放大电路则是考虑到放大信号过大，以防A/D采样失真，并可以使声音变得圆润。又考虑到放大电路会引入直流分量，还会有偏零现象，故在整个放大电路的设计中必须加入耦合和调零电路。具体电路图分别如下： 4.2 LabVIEW的一些简介 与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW2 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW2 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据 LabVIEW标志显示及数据存储，等等。LabVIEW2 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。 LabVIEW2（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 2则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 2的程序模块。 LabVIEW 2提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 2中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW 2的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。4.3USB接口连接单片机总线5. 软件设计在界面上我们选择了LABVIEW这款软件实现，在这款软件有这强大的功能，对于我们的可视界面有了很大的帮助，同时，让我们在设计语音采集的模块有了很大的帮助。具体设计如下：5.1特征值的提取 预加重：由于语音信号的平均功率受声门激励和口鼻辐射的影响，语音信号从嘴唇发出后，高频段大约在800以上有6db/倍频的衰减。因此，在对语音信号处理之前需要对语音信号的高频部分加以提升。预加重的目的是提高高频部分，是信号的频率变得平坦，以便于进行频谱分析或声道参数分析：滤波去噪：由于获得的语音信号或多或少会存在诸多噪音信号，因此有必要先进行一定的去噪处理，基于简单起见，使用IIR的butterworth带通滤波器 ，通带为250Hz1000Hz，这个取值范围需因情况而定，如果对某些人的声音有过大的失真则需要将通带调宽。进行各Mel滤波器的中心频率的计算：计算出特征值之后，将其存储下来，完成对语音的特征提取，为下面的识别做准备。5.2对语音的识别采用DTW方法进行模式匹配，采集信号后通过与特征值得对比实现对语音的识别。5.3对机器人的控制机器人运动的控制指令格式为：字头地址帧长命令字左轮速度H左轮速度L左轮速度H左轮速度H校验和55AA010426识别出语音命令后，通过向机器人发送命令实现对机器人的运动控制，从而实现机器人的语音控制。机器人接收到指令后，完成特定的运动。6. 调试与测试调试中，我们遇到了不少问题，首先是单片机的传送，一开始我们决定用串口的方式实现单片机的数据传送，但是，经过在电脑上的仿真测试，我们发现，串口并不能满足我们的需要，他的速度太慢，导致了数据的丢失，我们采集到的数据就出现了很大问题。经过多次的测试，我们最后制定了用USB方式传送，这样解决了我们的数据传送问题。通过多次的测试，我们终于实现了对电路的调试，从而基本实现了我们要实现的功能。完成了语音的采集和播放。程序中，我们对USB的初始化和设置并不了解，通过对相关的资料查询我们了解了许多相关的东西，经过调试我们完成了对USB芯片一块的编程。对语音的特征值提取我们遇到了不少麻烦，首先，对于如何区别音符的能量，我们并不了解，通过查资料和讨论，我们逐步了解了如何提取特征值，并完成了对语音训练的步骤。在识别的过程中，我们经常会遇到识别错误的情况，这让我们信心受到了极大的打击。最后，通过对电压，以及各个特征值的距离阀值的调整，我们完成了语音的识别，并实现了成功率较高的识别度。在控制上，我们对语音信息的发送有些不是很了解，一开始并不能很好的使用软件，将我们取得的信息发送给机器人，最后，通过多次的调试，我们发现通过改变取得的信息的形式能较好的解决这个问题，最终，我们通过语音信息的发送方式将我们取得的信息发送给机器人，实现了对其控制。七. 实验小结在这次课设中，我们遇到了许多我们以前未曾想过的问题，首先是关于数据传送的，传送的速度直接影响了我我们对数据的采集，导致我们无法准确的采集到我们所需要的数据，通过实验我们对STC12C5A60S2单片机有了更多的了解，同时也对他的一些模块有了更多的认识，在实验中，我们通过软件仿真逐渐找到了可以语音采集的方法，相信我们在以后的学习生活中会有更大的进步。对于数据的传送，我们曾想过用串口输出的方式实现，但是经过了软件的仿真和实物的测试后，我们发觉他并不能得到我们所需要的数据，所以我们采用了USB传送的方式，最后经过多次的调试，我们才使得其传送的的数据满足我们的要求，在这次课设中，我们还接触到了一些我们以前未用过的软件，通过和组员的讨论学习，我们对新软件有了更多的认识，更了解了如何用LABVIEW设计一些我们需要的上位机的界面，相信在以后的学习中，我们对他会有更多的了解。在通过这次的的编程，我学到了不少新的知识，LABVIEW是一款功能十分强大的软件，他简化了我们在语音识别中的一些关键的问题，对于特征值得提取和一些识别的部分他提供了不少十分有效的模块，在控制的方面我想我们还有很多的东西可以学习，这对我们将来的发展有着很好的启迪。通过这次课设，我们学会了许多过去不曾了解的东西，也对仿真软件有了更多的运用，最重要的是，我们学会了如何去解决未知问题的方法，相信，在不久的将来，我们能更好的运用手中的知识去解决更多的问题。八参考文献STC12C52A60S2芯片资料LM358中文资料CH372DS1资料智能机器人 肖南峰人工智能基础 蔡自兴 北京：高等教育出版社，2006人工智能引论 朱福喜 武汉：武汉大学出版社，2006Visal C+面向对象与可视化编程 黄维通 北京：清华大学出版社，2003计算方法 李晓红 北京：北京航空航天大学出版社，2006人工神经网络导论 蒋宗礼 北京：高等教育出版社，2001模式识别 李晶皎 北京：电子工业出版社，2010袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅