遥控智能小车报告.doc

1 四川省第二届大学生四川省第二届大学生 电子设计大赛电子设计大赛 语语 音音 遥遥 控控 智智 能能 小小 车车 2 目录目录 四川省第二届大学生电子设计大赛四川省第二届大学生电子设计大赛 1 语音遥控智能小车语音遥控智能小车 3 摘摘 要要 3 关键字关键字 3 一 一 引言引言 3 二 二 设计任务设计任务 3 2 1 基本要求 3 2 2 扩展部分 3 三 硬件部分 三 硬件部分 4 3 1 3 1 单片机单片机 4 3 11 单片机选择 4 3 12 凌阳单片机基本功能简介 5 3 13 强大的语音功能 5 3 23 2 障碍探测模块方案分析与比较 障碍探测模块方案分析与比较 6 3 21 避障器件选择 6 3 22 器件放置位置方案选择 7 3 23 避障方式选择 7 3 33 3 循线模块设计与比较循线模块设计与比较 7 3 4 智能小车驱动电路智能小车驱动电路 8 四 软件部分 四 软件部分 10 4 1 介绍 10 4 2 主要使用的函数 10 五 调试 五 调试 16 5 1 硬件的调试 16 5 2 软件的调试 17 5 3 语音训练步骤 17 六 结论 六 结论 18 6 1 基本功能要求 18 6 2 发挥部分 19 参考文献参考文献 19 3 语音遥控智能小车语音遥控智能小车 摘摘 要 要 本语音智能小车由硬件设计模块与软件设计模块两大模块组成 硬件设计模块包括 后轮驱动电路模块 循线探测模块 障碍物探测模块 后轮驱动电路主要由 L298 组成 用 于前进 后退 转向控制 循线探测模块利用三个光感元件 对黑色轨道进行寻迹 障碍物 探测模块由对两对光电传感器组成 车头一对 车尾一对进行障碍物探测 软件设计模块能 实现智能小车的前进 后退 转向 停止 避障 表演动作以及循线等功能 本作品以两后 轮电动机为主驱动 通过各类传感器件来采集各类信息 送入主控单元 SPCE061A 单片机 处理数据后完成相应动作 以达到自身控制 关键字 关键字 语音智能控制 避障 红外线收发 循线行驶 语音识别 一 一 引言引言 与机器进行语音交流 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 近 二十年来 语音识别技术取得显著进步 开始从实验室走向市场 在一些对幼儿进行启蒙教育的玩具中 语音玩具给小朋友们带来了无限的新奇感受 可 以自动说话的娃娃 听从指挥的小汽车等在儿童幼小的心灵里播下了科学的种子 语音识别 技术是 2000 年至 2010 年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一 它是一门交叉学科 正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术 语音识别技术与语音合成技术结合使人们能够 甩掉键盘 通过语音命令进行操作 因此 在了解了目前流行的语音处理芯片后 我们选择 了凌阳的 61 单片机开发出一种语音遥控智能小车 这种小车集成了先进的语音识别技术 加上小车的机动灵活的特点 把它作为一种智能玩具 很有市场前景和意义 同时为了增加 作品的趣味性和实现更多的功能 我们在小车语音识别基本功能的基础上 增加了小车的循 线 播放歌曲以及表演特定动作的功能 二 二 设计任务设计任务 设计并制作一款基于语音遥控的智能移动小车 2 1 基本要求 1 通过说话人发出的特定命令 不小于 5 条 可以控制小车的前进 后退 左转 右转基本运动 2 可以通过训练的方式保存 4 条以上的语音命令 并在使用的时候可以进行识别 3 语音遥控的有效范围不低于 3 米 2 2 扩展部分 1 操作过程有语音提示 以提供更友好的人机交互和更高的可靠性 2 可以进行特定人声的识别 即只响应 主人 的命令 3 可以完成规定的表演动作 4 提高语音遥控的距离范围 增加遥控的命令数 5 其它 说明 要达到设计的基本要求并不难 只需要使用一个语音芯片进行语音辨识 然后利 用单片机根据识别结果 控制电机正转或反转和其他部件工作就可以了 但是要达到扩展要 4 求就对所选芯片提出了更高的要求 芯片必须有播放自己语言提示音的功能 或者必须外加 电路实现播放功能 从而实现人机交流的功能 三 硬件部分 三 硬件部分 障碍物检测部分采用红外线发射和接收原理 黑带循线依靠安装在车头左中右三个光敏 二极管对管来对地面反射光感应 电机驱动部分采用 L298 放大驱动 语音部分由 SPCE061A 自带功能提供 此系统比较灵活 采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分 使系统硬件简 洁化 各类功能易于实现 3 1 3 1 单片机单片机 3 11 单片机选择 在众多的单片机中 如 C51 ARM AVR 等 我们选择了凌阳系列的单 片机 采用的是凌阳 61 单片机 因为它本身具有音频处理功能 我们板子上具有音频 输出 输入通道 具有麦克风 扬声器等硬件 在凌阳公司提供的开发环境中本身就具 有关于音频处理的库函数以及音频压缩软件 在进行处理的时候比较容易 所以我们选 择凌阳 61 的单片机 基本结构如图 1 POWER SPCE061A PORT B PORT A EZPROBE J11 74HC244 OSC MIC 电源 SPY0030 J12J3 R C 图 1 凌阳 61 单片机及硬件基本结构 凌阳 61 单片机及硬件基本结构进一步介绍 如表 1 5 表 1 3 12 凌阳单片机基本功能简介 1 具有 DSP 功能 语音特色的凌阳十六位单片机开发系统 2 集开发板仿真器和编程器于一体 只需 PC 机即可进行产品开发 同时免费提供原 版集成开发环境 3 不需任何外围器件就可以完成语音录 放 识别等功能 4 所有 I O 全部引出 可以和用户外部电路直接搭配 5 多种电源供电方式 使用户使用更加方便 3 13 强大的语音功能 凌阳音频处理过程 自己录取一段不大于 4Kb 的 WAV 语音文件或者从原有 WAV 语音文件 中截取一段不大于 4KB 的语音 然后用凌阳语音压缩工具压缩 再将压缩后的文件添加到凌 阳公司提供的开发环境中 程序经过单片机处理后 语音通过喇叭播放出来 如图 2 图 2 凌阳音频播放过程 语音识别原理 首先是语音训练 然后是语音匹配 接着进行语音处理 如果匹配成功 就执行相应的功能 否则重新匹配 如 图 3 图 3 中实线部分成为训练模块 虚线部分为 识别模块 POWER 5V V 供电电路 电源指示灯 EZPROBE 在线调试器串行 5PIN 接口 J11 下载线的 5PIN 接口 MIC OSC 32768 晶振电路 PORTA B 麦克风输入电路 R C 芯片其他外围电阻 电容电路 74HC244 缓冲和保护接口电路 SPY0030 集成音频放大器 J12 J3耳机插孔和两 PIN 喇叭插针 SPCE061A 板子核心 16 位微处理器 语音播放语音播放 Wav获取获取语音压缩语音压缩 6 图 3 语音识别原理简图 3 14 外围电路与单片机结合的基本原理图 如图 4 图 4 智能车运行基本原理图框图 语音命令从麦克风输入 红外对管检测到的数字信号引入到单片机的 IO 口 经单片机 识别处理 控制喇叭发出相对应的声音 实现人机交互 通过给 298 发出信号对电机正反转 进行控制 实现避障和循线的功能 3 23 2 障碍探测模块方案分析与比较 障碍探测模块方案分析与比较 3 21 避障器件选择 方案一 采用超声波避障 超声波受环境影响较大 电路复杂 而且地面对超声波的 反射 会影响系统对障碍物的判断 实现比较困难 方案二 采用红外线避障 器件就选择为红外对管 发射管发射出去的红外线如果遇 到障碍物就反射回来 接收管接收到反射回来的信号 接收回路导通 输出 高电平 相反 如果没有障碍物 红外线发射出去后没有反射回来 接收管 无法导通 输出低电平 根据有无障碍时采集回来信号的不同 在单片机中 就可以编程控制车子的动作 这种方案对硬件电路要求简单 易于实现 性 SPCE061ASPCE061A 红外发射 障碍物检测 语音输入与声音 信号处理 红外接收 黑带检测信号 喇叭语音输出 电机驱动 7 价比较高 故采用方案二 3 22 器件放置位置方案选择 方案一 采用两组红外传感器分别置于小车前后 对小车正前方 正后方的障碍进 行检测 红外传感器安装简易 也可以检测到障碍物的存在 但难以确定 小车在水平方向上是否会与障碍物相撞 也不易让小车做出精确的转向反 应 方案二 采用二组红外传感器分置于小车两边 二只红外传感器分别置于小车的前 端两侧 方向与小车前进方向平行 对小车与障碍物相对距离和方位能作 出较为准确的判别和及时反应 但此方案过于依赖硬件 成本较高 缺乏 创造性 而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小 所以最终未采 用 考虑到方案二比较麻烦 所以我们采用了方案一 3 23 避障方式选择 真实情况中 当遇到障碍的时候可以选择绕过障碍或者回避 在制作过程中为了追求 程序的实现难易程度和表现力 我们采取当前方检测到障碍时 小车采取先播放提示音然后 后退一段距离并且左拐的方式 当后方检测到障碍时采取先播放提示音然后停车的方式 这 样实现起来简单明了 易于观察判断程序的进程 红外线发射接受电路原理图如图 5 所示 发发发发 200发 R VCC 5 V 100K R SPCE061A 发发发发 图 5 红外线发射接受电路原理图 3 33 3 循线模块设计与比较循线模块设计与比较 方案一 方案一 使用 4 组简易光电传感器结合外围电路探测 将 4 组传感器分 2 组置于车底部的前后两端 2 组传感器夹住中间的黑线 这 种方案存在的弊端是 如果当传感器的距离比黑线的宽度大的时候 在前进的 时候 小车一旦跑偏 会出现蛇形前进的情况 这样效果不好 如果当小车在 循线时由于速度过快冲出黑线 小车仍然无法进行识别 最终放弃该方案 方案二 方案二 使用 2 组简易光电传感器结合外围电路探测 分别置于轨道的两侧 根据其接受到黑线的先后来控制小车转向来调整车向 但测试表明 如果两只光电开关之间的距离很小 则约束了速度 如果着重于 小车速度的提升 则随着车速的提升 则势必要求两只光电开关之间的距离加 大 从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大 小车将无法快速完成准确的 8 导向从而有可能导致寻迹失败 而且 2 组传感器对于方向的控制不是很灵敏 容易造成角度误差过大 最终也没有采用这种方案 方案三 方案三 使用 3 组简易光电传感器结合外围电路探测 一只置于轨道中间 两只置于轨道外侧 当小车脱离轨道时 即当置于中间的 一只光电开关脱离轨道时 等待外面任一只检测到黑线后 做出相应的转向调 整 直到中间的光电开关重新检测到黑线 即回到轨道 再恢复正向行驶 现 场实测表明 虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆 但只要控制好行驶速 度 保证黑线的宽度和小车拐弯的角度 不要超过三十度 就可保证车身基本 上接近于沿靠轨道行驶 这样实现起来简单 方便于程序的编写 方案四 方案四 使用 6 8 组简易光电传感器结合外围电路探测 在前后都放置传感器 这样效果最好 因为在车的前后都有传感器检测所循线 路的正偏程度 但是由于程序实现起来比较麻烦 况且这不是语音小车的主要 功能 增加循线硬件和循线程序 使得语音程序过于庞大 所以也没有选择这 种方案 综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求 采用方案三 发发发发 200发 R VCC 5 V 100K RSPCE061A 发发发发发发发发 200发 R 100K R 发发发发发发发发 200发 R 100K R 发发发发 图 6 黑带检测电路图 3 4 3 4 智能小车驱动电路智能小车驱动电路 方案一方案一 采用分立元件 采用分立元件组成的桥式驱动电路 这种电路可以由单片机直接对其进 行操作 但由于分立元件占用的空间比较大 考虑到小车的空间问题 而且分立元件的电器性能分散不易调整 此方案不够理想 方案二方案二 采用集成器件 因为小车电机装有减速齿轮组 考虑不需调速功能 采用市面易购的电机驱动 芯片 15 引脚 L298 它能同时控制两个电机的正反转 该芯片是利用 TTL 电平 9 进行控制 通过单片机的 IO 口输出高低电平 控制电机两边的电平高低 从 而实现电机的正反转 很方便单片机的操作 亦能满足直流减速电机的要求 智能车驱动电路实现如图 8 所示 L298 原理如图 7 所示 内部集成了两个桥 式电路 通过单片机输出过来的数字信号控制内部与门的开关 实现电机输出 端电压的正反控制 进而控制电机的旋转方向 小车的运行当中 考虑到小车 电机的正反转 感应电流有可能过大导致电机烧毁所以加了 8 个二极管 D1 到 D8 续流 L298 是一个集成的驱动电路器件 它的 5 7 10 12 口有倒 灌电流 倒灌电流过大时有可能烧毁单片机或导致单片机不能正常工作 因此 在 5 7 10 12 口与单片机之间加了一个二极管如图 D11 D12 D13 D14 阻止电流倒灌单片机 起到了保护单片机的作用 图 7 L298 的内部结构 电机驱动芯片 L298 为单块集成电路 高电压 高电流 四通道驱动 设计用来接收 DTL 或者 TTL 逻辑电平 驱动感性负载 比如继电器 直流和步进马达 和开关电源晶体管 内部包含 4 通道逻辑驱动电路 表 2 是其使能 输入引脚和输出引脚的逻辑关系 表 2 引脚和输出引脚的逻辑关系 Ena enb In1 in4 In2 in3 电机运行情况 L 停止 HLL 停止 HHL 正转 HLH 反转 10 D1 100nF c1 D2 D3 D4 D6 D7 D8 100nF c2 Vss Vs 1 sense a 2 out1 3 out2 4 vs 5 in1 6 ena 7 in2 8 gnd 9 vss 10 in3 11 enb 12 in4 13 out3 14 out4 15 sense b L298 GND GND D5 GND GND D9 D10 D11 D12 SPCE061A SPCE061A 图 8 智能车驱动电路 四 软件部分 四 软件部分 4 1 介绍 软件部分与硬件部分同等重要 在硬件的基础上 软件实现了智能小车的前进 后退 拐弯 避障以及循线等功能 对于程序中的音频资源 我们使用的语音资源 大部分由凌阳公司开发包中提供的 因为自己录制并且压缩的语音资源播放效果不 好 我们主要采用 15 条基本的语音控制指令 包括 前进 后退 左拐 右拐 循 线 唱歌及小车的名称等语音命令 在程序的实现过程中 我们利用语音资源中的 人机交互式方式 有问有答有提示的方式来实现对语音遥控小车的控制 在实现小 车前进 后退 左转 右转的基本功能后 我们利用其编译器对于 C 语言的强大的 支持能力 进行函数的递归与嵌套调用 从而实现了可以在前进和后退的时候可以 进行障碍物的检测功能 由于单片机携带的存储器空间有限 所以我们没有对程序 进行太复杂的编写 整个程序的实现都以表现功能为主要目的 4 2 主要使用的函数 在程序中函数的相互调用的总体框架上 大致可以分为 3 个层次 第一层就是库函数 对于我们开发作品而言 这是最底层的函数 如 F FlashErase F FlashErase 它的作用就是为要存储的语音命令找到一片 它的作用就是为要存储的语音命令找到一片 FlashFlash 空间空间 BSR DeleteSDGroup BSR DeleteSDGroup 库函数用来初始化存储器库函数用来初始化存储器 RAMRAM BSR Train BSR Train 库函数用来进行库函数用来进行 语音参数提取 语音参数提取 BSR InitRecognizer BSR MIC BSR InitRecognizer BSR MIC 用来对辨识器初始化 用来对辨识器初始化 BSR EnableCPUIndicator BSR EnableCPUIndicator 则在进行识别时启动实时监控 则在进行识别时启动实时监控 BSR GetResult BSR GetResult 用于训用于训 11 练结束后识别阶段的语音模式匹配和辨识处理 练结束后识别阶段的语音模式匹配和辨识处理 SACM S480 Play SACM S480 Play 库函数用于播放特库函数用于播放特 定形式的语音资源定形式的语音资源 第二层就是我们在库函数的基础上自己编写的功能性子函数 这些函数通过调用 库函数实现一个模块化的功能 如 FormatFlash 用于格式化需要存储命令的 Flash 存储器 根据实际的需要我们在这个功能性子函数中通过调用库函数 F FlashErase 一下就为要存储的 15 条语音命令找到了存储空间 TrainFiveCommand 子函数则集成了库函数中的 BSR Train 和语音播放函数 用来 训练每组的 5 条命令 SaveFiveCommand 子函数则把刚训练好的 5 条语音命令存储 起来 PlaySnd 函数主要用来播放语音资源 这个函数可以很好的实现人机交互的 功能 通过设定特定的语音播放 可以很清楚的知道程序执行到哪个地方 同时也增 加了趣味性和互动性 还有一部分功能子函数就是和硬件有关的 如 Robot Go 函数通过设置单片机的 IO 口控制 L298 的逻辑端 进而控制电机的旋转达到小车前 进的目的 Robot Backup Robot TurnRight Robot TurnLeft 等函数都是 和这个相同的道理 这里就不一一介绍了 第三层就是主函数 main 有了第二层的功能性子函数 再编写我们的主函数就 很方便了 根据程序的需要调用上面的子函数或系统的库函数就可以了 如在训练后 的识别阶段 就是根据函数 BSR GetResult 的识别结果判断是哪条指令 然后根据 判断结果进行相应的处理 或是播放提示音达到人机交互效果 或是执行相关子函数 前进 倒车 左拐 右拐 循线等 4 3 流程图 图 9 为主程序流程图 图 10 为 前进语音命令流程图 图 12 为倒车语音命 令流程图 图 13 为循线流程图 主程序流程图说明 首先判断是否是第一次下载 如果是则进行程序下载 然后 进入语音训练模块 如果已经下载则直接进入训练状态 训练一共有 15 条命令 分为 3 组 每组 5 条 按照事先设定好的顺序进行语音信号采集存储 训练完成后则进入 了语音识别状态 此时 系统根据采集得到的语音信号与刚才训练后得到的模型进行 模式匹配 判断是第几条命令 然后根据判断结果做出相对应的动作或播放特定的语 音资源 完成后又返回到待命状态 准备识别下一条命令 在识别的过程中 如果遇 到系统复位 则刚才训练得到的语音模型丢失 需要重新进行语音训练才能再次进入 识别状态 12 15 条语音命令训练 准备识别语音命令 存储语音数据 把采集到的语音数 据拷贝到 RAM 空间 响应对应得语音 命令 一定时间内小车停止动作 是否遇到语音命令 是否遇到复位键 开始 N N Y NY 下载 判断是 第几条命令 图 9 主程序流程图 13 识别到前进语音命令 前进 是否遇到避障物 避障后退左拐 Y Y 停车进入待命状态 N 是否时间到 继续前进 N 图 10 前进语音命令流程图 说明 当小车遇到前进命令后 则执行前进动作 在设定的时间内前进的过程中 不断 检测前方是否有障碍 如果遇到障碍则后退左拐进行避障 然后继续前进再不断检测 直到 设定时间结束 停车回到待命状态 14 识别到拐弯语音命令 左拐或右拐 停车 是否识别到拐弯语音命 令 口 响应其它命令 N Y 是否遇到障碍物 口 避障后退左拐 Y 图 11 拐弯语音命令流程图 说明 当小车遇到拐弯命令后 则执行拐弯动作 在设定的时间内拐弯的过程中 不断 检测前方是否有障碍 如果遇到障碍则后退左拐进行避障 然后继续之前的左拐或右拐动作 接着再不断检测避障 直到设定时间结束 停车回到待命状态 15 识别到倒车 语音命令 是否遇到障碍物 避障停车 是否识别到倒车语音命 令 口 响应其它命令 倒车 Y N Y N 图 12 倒车语音命令流程图 说明 当小车遇到倒车命令后 则执行倒车动作 在设定的时间内倒车的过程中 不断 检测后方是否有障碍 如果遇到障碍就停车回到待命状态 16 图 13 循线流程图 说明 当小车遇到循线命令后 则执行循线动作 在判断到有黑线时则执行循线程序 如果检测到已经跑出黑线 则停车 在循线的过程中 不断检测黑线 如果车身偏离 进行 相应的自动调整 直到回到正确的位置 继续前进循线 循线结束则停车进入待命状态 五 调试 五 调试 5 1 硬件的调试 主要就是电机驱动板 由于我们把 L298 集成器件及保护电路和光电对管供电电路都焊 在了电路板上面 所以硬件调试分为了两个模块 第一就是 L298 能否按预定的设计正常工作 把两个直流电机的四根引线分别接到 L298 的四个输出口上 给 L298 加上所需要的两个电源 电路连接检查无误后 通过单片机的 IO 口简单的程序控制电机的正反转 看能否实现 在 这一过程中我们遇到了很多问题 刚开始时我们测 L298 电机输出口有输出电压 但是接上 电机就是不转 经过仔细的检查发现原因是电机回路中串的电阻太大 电流太小 导致电机 不转 改正后再重新测试 得到了预想的结果 这一个模块基本没问题了 识别到循线语音命 令 是否遇到循线条件 循线 否 否 判断是否偏离 停止 调整 是否遇到循线条件 17 第二个模块就是给光电对管供电的电路 原理如上面的图 3 所示 左边发射管要正接 右边接收管要反接 调试时我们先编写了一个很简单的程序下到单片机中 设置几个输入和 输出口 把接收管的引线接到单片机的输入口 测试避障时用对管在一个障碍物前不断移动 同时用万用表检测单片机与之对应的输出口 发现当遇到障碍时测得高电平 无障碍时测得 低电平 达到预想效果 循线光电管也用同样的方法 在地上贴黑胶带 在黑胶带边缘来 回移动光电管 用万用表检测对应的单片机的输出口 测得高电平在 4V 左右 低电平在 0V 左右 也达到了预期的效果 到此 驱动板基本调试完成 5 2 软件的调试 根据设计的目标 小车要实现三大功能 一是基本功能 包括前进 倒车 左右转向 二是避障的功能 即检测到障碍就后退并左拐 三是循线功能 这是小车自主完成的过程 剩下的程序模块就是语音的训练 存储 播放了 在调试时首先是语音模块 这是最基本 也是最重要的模块 因为控制小车就是通过语 音来实现的 是人机交互的通道 程序一共 15 个命令 包含名字 训练时存储了 15 条语音 命令 训练完成即进入识别状态 根据识别出来的结果完成不同的功能 这一块调试完成后 就是基本功能的调试 基本功能都是通过调用子函数实现的 子函数包括前进 倒车 左拐 右拐 停车 我们用了一个 DELAY 延迟函数来控制单片机 IO 输出电压 从而控制电机的 转速 通过改变调用子函数时的入口参数可以调整动作持续时间 完成基本的功能 避障的功能的调试 刚开始时程序只有一个避障函数 但是经过调试后发现在前进和后 退过程中避障函数返回值是不一样的 因此避障函数就分为了前进避障和后退避障两个函数 前进过程中只有前面有障碍时才后退并左拐 后退过程中只有后面遇到障碍才停车 另外由 于避障函数是嵌套在前进和后退子函数中 而且左拐和右拐函数中又调用了前进函数 所以 在拐弯的过程中其实也可以实时检测障碍 这样最后实现的就是无论前进 倒车 左右转向 当检测到障碍时都能停车 最后一个小模块的调试就是循线 循线原理在上面提到过 循线子程序是一个比较长的 程序 因为循线一般是往前 所以我们把他的入口设在了前进的子函数中 当调用到前进函 数时 首先判断循线光电管采回来的值 如果符合循线条件则转入循线函数中 否则就执行 下面的避障检测 无障碍则正常完成前进功能 有障碍则转入障碍函数停车 在调试这个模 块的时候遇到了比较多的问题 比如硬件上的光电管之间的距离 光电管离地距离 光电管 安装在车身上的位置等等 还有软件中的偏离调整时的动作幅度 经过不断的调整实验 最 后发现 当光电管离地 1CM 左右 两个管子之间的距离大约等于胶带宽度时效果最好 需要 注意的是 由于检测过程中只设置了 3 个管子 所以调整的动作幅度一定要够小 而且调整 完后前进的动作幅度也要小点 否则很容易过冲 一