基于lm3s811的声控轮式机器人

基于LM3S811的声控轮式机器人摘要本声控轮式机器人以LM3S811芯片为核心，实现了预期的基本技术指标。本设计辅以LD3320语音模块，由特定的麦克风接收到相应的语音命令，经过LD3320芯片进行语音识别后芯片内部的16位A/D将相应的语音命令转换为对应的数字信号传输到LM3S811中，从而改变PWM的占空比再通过L298N的协助从而达到运用语音操控轮式机器人的运行。关键词语音控制；轮式机器人；语音识别；PWMDESIGNOFVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTBASEDONLM3S811ABSTRACTTHEVOICECONTROLLEDWHEELEDMOBILEROBOTISBASEDONLM3S811CHIPASTHECORE,REALIZEDTHEBASICTECHNICALINDEXESTHEDESIGNCOMBINEDWITHLD3320VOICEMODULE,BYSPECIFICMICROPHONERECEIVESTHECORRESPONDINGVOICECOMMAND,AFTERTHELD3320CHIPAFTERSPEECHRECOGNITIONCHIP16BITA/DWILLBETHECORRESPONDINGVOICECOMMANDISCONVERTEDINTOACORRESPONDINGDIGITALSIGNALISTRANSMITTEDTOTHELM3S811,THEREBYCHANGINGTHEPWMDUTYCYCLETHROUGHTHEASSISTANCEOFL298NTOUSEVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTOPERATIONKEYWORDVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTVOICERECOGNITIONPWM目录1引言32系统方案43系统硬件设计64系统软件设计85系统的关键设计和创新96评测与结论107参考文献118附录121引言目前，语音识别技术和小型轮式机器人已经广泛的应用在军事、工业生产以及普通民用的行列中，其应用面宽广，发展前景远大，在各个行业中担当着极其重要的角色。小型轮式机器人以体积小、成本低、机动性能强等优点被运用各种特殊的环境下，从而取得了行内外生产厂家和研究者的喜爱和研究。而语音识别技术被认定为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，从而得到了快速稳健的发展。结合于此，本文将阐述一个运用语音识别技术控制小型轮式机器人的设计。TEXASINSTRUMENTS公司的STELLARISARMCORTEXM3系列的内核不仅仅能应用于低成本、小管脚数和低功耗的平台上，而且还具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。从而得到了广大市场的认可和应用。所以本团队将采用STELLARISARMCORTEXM3系列的LM3S811平台完成所需要的技术指标。2系统方案21语音识别系统方案一以ARMCORTEXM3为核心，辅以喇叭和麦克风以及相关电路，由本小自己开发一套语音识别软件配合上述硬件组成一个语音采集识别模块。方案二采用ICROUTE公司生产的LD3320高性能语音识别芯片和相关外设。对上述两个方案进行比较可见，方案一中的语音采集识别软件工程编写繁杂沉重且难以实现，故而放弃方案一。反观方案二，由于LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路，其中包括16位的A/D和D/A转换器、麦克风、音频输出等接口，且不需要外接诸如FLSHA、ARM等多余的辅助芯片，故而本设计选择方案二。22轮式机器人调速系统由于本设计的动力控制模块所采用的是直流减速电机，所以就本系统而言，运用可控的直流电源即可达到直流调速。现列出较常用的直流调速系统。方案一旋转变流机组，即用交流发电机给所需要调速的直流电机供电。这个过程中调节交流发电机的励磁电流即可改变其输出的电压，从而达到对直流电机控制调速的目的。方案二脉冲宽度调制（PULSEWIDTHMODULATION），简称PWM，即由微处理器输出一组数字信号，可以调节其晶闸管的导通时间（占空比），即通过改变脉冲宽度来增加或者减小输出电压的平均值，借此来控制直流电机驱动器，以达到控制直流电机运行的目的。由此比较上述两个方案，由于方案一中所取设备较多，体积较大，成本很高，维护不方便等劣势，故不采用方案一。而由于PWM操作方便，功耗极小，而且尤为重要的是其控制效率极高，综上所述，本设计的调速系统选择方案二。23控制系统方案一由低通滤波器和功率放大器组成的滤波放大电路结合H桥组成的系统。当PWM通过低通滤波器整流以后，输出的信号会被整流为直流，再经由功率放大器，对整流过的信号进行放大处理，由此进入H桥，通过H桥的特性来控制轮式机器人的运转。方案二采用L298N电机驱动器，由PWM提供L298N电机驱动器所需要的工作电压，并相应的改变PWM的占空比来控制直流电机的工作。L298N电机驱动器是内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，其主要芯片L298N由于工作电压高，输出电流大等特点，受到了控制行业广大爱好者的使用。对比此前的两个方案，方案一明显的比方案二复杂许多，且进过对比实验得出，方案一中由于各种原因导致了处理器平台的电压对方案一模块造成了很大的干扰，故而与较为简单的方案二比较而言，更倾向与方案二，所以本组就控制系统而言，选择方案二。24本系统介绍本系统以CORTEXM3系列的LM3S811芯片为基础，以LD3320语音模块和L298N直流电机驱动器为助理实现了一个语音识别控制的轮式机器人。由语音接收麦克风接收到相应的语音指令，经由LD3320芯片进行非特定语音识别后再由其芯片内部的16位A/D将相应的语音命令转换为数字信号传送到LM3S811中，继而改变LM3S811输出的PWM的占空比来控制L298N的运转，从而达到运用语音操控轮式机器人的目的。其整体框图如下。PWM内部A/DLM3S811L298N直流电机驱动器LD3320语音识别红外传感器直流电机语音命令内部A/D图21系统总体框图3系统硬件设计本系统硬件部分由以下三部分组成最小系统、语音识别模块、控制模块，下面对其分别介绍。31最小系统本最小系统主要包括LM3S811、时钟电路、复位电路等。系统整体以LM3S811为核心。LM3S811含有丰富的片上外设资源，如ADC、看门狗、PWM、SPI等。本系统未使用LM3S811片上的看门狗和SPI模块，而只使用了其片上的PWM、ADC、GPIO及SSI等模块，无需扩展外部ROM等。而LM3S811协调着整个系统各个模块的有序工作及承担着语音信号处理的任务。LM3S811的另外一个特点就是有六路高精度的PWM，此PWM可用于高精度控制直流电机的运作，此特色是本设计的一个关键之处。32语音模块语音模块的SDCK、SCS、SDO、SDI接口分别与LM3S811的SSICLK、SSIFSS、SSIRX、SSITX接口相连以至与核心芯片进行串行通信。图31语音模块33控制模块本设计的直流电机控制模块是由L298N芯片组成的驱动器组成，采用由LM3S811内部PWM产生PWM波来驱动直流电机的速度和方向。且L298N驱动器模块还具有以下特点抗干扰能力强、具有过电压和过电流保护、PWM脉宽平滑调速等特点。由电池组提供驱动器所取的5V电压，而其控制电压则由PWM波来提供，方便其调速和调整方向。图32L298N芯片内解4系统软件设计A软件总体框图PWM初始化系统时钟初始化TMER初始化GPIO初始化LD3320寄存器初始化LD3320ASR初始化TIMER中断初始化函数PWM中断中断模块主程序PWM模块改变小车行动TIMER模块改变PWM的占空比LD3320ASR中断寄存器初始化GPIO中断GPIO中断模块读取LD3320的0XC5寄存器来改变小车的值图41软件总框架图B初始化模块LM3S811的初始化主要包括初始化部分GPIO管脚，PWM，通用计时器。系统时钟设置为6MHZ，不分频，配置PWM，该机器人需要4路PWM波来控制小车行为，初始化占空比为40。初始化两个计时器来提供中断，并且可以缓冲小车的一个动作与另一个动作之间的衔接，计时器初始化为32位，周期计时器。在使用SPI通讯时，SPI的模拟需要4个GPIO的管脚，来与LD3320之间进行数据交换，所以配置GPIOA2口为输出模式且下降沿有效，发出CLK信号给从机，GPIOA3为输出模式，发出片选信号给从机，并且低电平有效。GPIOA4配置为输入模式，接受从机发回的数据。LD3320的需要通过主机将片选信号拉高，然后在拉低，再拉高，从而使LD3320初始化，并且将需要识别的关键词的拼音与词的拼音编号的数组存放在寄存器中，供识别使用。C中断模块在LMS3811中，中断主要由通用计时器（TIMER）和GPIO口发出。LD3320中，中断由ASR语音识别提供。当LD3320的麦克采集到声音的时候，ASR就会运行，并对采集到的声音识别，无论识别的声音是设置好的声音，ASR都会产生一个中断，通过LD3320的INTB口发送一个低电平信号给LM3S811的中断GPIO口，触发该口的终端，进入中断函数中，执行读取操作，读取LD3320中的识别结果寄存器0XC5，得到值用SWITCH中选择相应小车操作的函数，通过该函数使用TIMER0计时器，05秒后，出发TIMER0中断，执行中断函数，改变PWM的占空比，开改变小车的行为。一次识别结束（如图42）。麦克采集到声音ASR开始运行识别采集到声音将最优识别结果放入0XC5寄存器引发中断将INTB管脚发出中断信号计时完成进入中断函数，引发中断是否为低电平触发GPIO中断读取0XC5的值是否初始化时各个关键词的编号使能TIMERA中断改变PWM占空比完成一次识别GPIO继续等待触发完成一次识别YNYN图42中断框架图D语音模块语言模块使用LD3320芯片，通过SPI串口通信，来完成整一个语音识别过程。当麦克采集到语音的时候，将采集到声音经过DIS算法，与初始化时存储在寄存器中的关键词来对比，将对比的结果分级，最优的识别结果相应编号放在0XC5寄存器中，当完成一次识别的同时，ASR发出一个中断信号给配置了GPIO中断的管脚，管脚得到中断后，执行函数，通过读取0XC5中的值，来执行相应的函数，改变小车行为。EPWM控制模块通过控制PWM波的占空比来实现小车的行为改变，使用的电机驱动器L298N（如图81）该驱动器需要4路PWM波，两路为一组控制小车一个电机，分别初始化PWM2、PWM3、PWM4、PWM5,PWM2与PWM3为一组，PWM4与PWM5为一组，根据L298N的输入控制，当一组PWM波中的一个占空比几乎等于零时，另一个具有明显的方型波时才能将时点击转动，将他们的占空比反过来，就可以实现电机的反转，实现小车后退行为。当一组的PWM波的占空比设置为零时，一组不变或变大，那么小车就可以进行左转或者右转。当两组的其中一个PWM波同时增大或者减小相同的倍数的时候，就可以实现小车加速或者减速。占空比的更改，在计时器的中断函数中来改变。FSPI模块LD3320语音模块与LM3S811之间的通讯通过SPI的串口通讯来实现，LM3S811中带有SPI的硬设，但是灵活性很低，LD3320对SPI的时序要求很高，所以使用软件模拟SPI的方法，这样就可以轻松的去调整时序。要使用软件模拟SPI通讯，就需要4条通讯通道，CLK时钟信号且下降沿有效，CSS片选，且低电平有效，RX读取数据，TX写入数据。因为LD3320中是有两个FIFO，将读取通道和写入通道分开。FIFO（FIRSTINFIRSTOUT，先读先出）缓存，以队列的形式将数据从对头写入，队尾读出，起到缓冲的作用，可以为LD3320读写寄存器争取一定的时间，使得读写更加稳定。外设BCDA主机E图43FIFO缓存示意图LD3320的两个FIFO一个用于存放写入的数据，一个用于存储读出的数据，这样读写数据也不会拥挤。SPI的通讯分主从机，由主机发送CLK信号，和CSS片选信号来控制什么时候该读取数据，和跟哪一个外设进行通讯，从机根据CLK信号和CSS信号将需要读写的值取出或者写入。当CLK信号到达下降沿的时候，且CSS处于低电平时，主机和从机之间可以进行通讯，通讯的帧格式为指令8BIT，地址8BIT,数据8BIT。图44写入数据波形图所以根据这个原理来模拟SPI，初始化的GPIOA2CLK，GPIOA3CSS口为高电平，在执行写入操作时，首先将GPIOA2CLK和GPIOA3CSS变为低电平输出，将第一位指令的数值判断，如果为1那么就GPIOA4（TX）就会输出1信号，然后将GPIOA2CLK口写为高电平输出，将这个过程循环8次，这样就完成一个指令的发送，地址和数据的发送过程也是一样的，在完成了所有的数据的发送时，再将GPIOA3CSS变为高电平输出。读取首先也是需要将指令和地址发送出去，然后LD3320才会将对应地址的值发回给LM3S811，这就简单的完成了SPI的模拟（如图44）。CLK信号CS片选RX读取TX写入FIFO_WRITEFIFO_READSCLK信号SCS片选SRX读取TX写入图44SPI读写示意图5系统的关键设计和创新本设计的关键及创新有以下几点一、本系统方案设计充分考虑到了成本问题，在完成基本运作的情况尽量压缩成本。例如在语音采集识别模块，本可以用ARMCORTEXM3，辅以喇叭和麦克风以及相关电路，开发一套语音识别软件配合上述硬件组成一个语音采集识别模块。但是采用如此方法即增加了极大的工作量，也使其成本大大增加。在本设计中，充分利用了ARM的协调作用，使其发挥协调管理各个硬件模块，大大的降低了硬件成本。二、根据非特定语音识别模块采集到语音命令而产生的信号经过LM3S811的处理而产生相应的PWM从而通过控制L298N来实现轮式机器人的运作。三、通过运用红外射线模块采集到的小车的速度信号传输到LM3S811中，再应用PID算法中的PI算法来平衡控制小车的速度。本系统的创新正是在充分考虑系统设计中的关键而实现的，创新点主要就是非特定语音识别采集模块，语音识别模块必须事先对输入语音进行预处理和特征提取，其中就包括训练和识别过程。其中训练就是通过用户输入若干次训练语音，经过预处理和特征提取后得到特征参数，最后通过特征参数建模达到建立训练语音的参考模型库的目的。识别过程就是将输入语音的特征矢量参数和参数模型库中的参考模型进行相似比较，然后将相似度最高的输入特征矢量作为识别结果输出，从而达到语音识别的目的。6评测与结论61测评在本作品中，语音识别模块、轮式机器人调速系统模块、控制系统模块等性能的性能的好坏最终都反映在轮式机器人在前进、后退、左转以及右转等基础功能时候的灵活度和处理效率上。在系统测评中，各个模块运转顺利，轮式机器人的运作基本达到预期的目标，但是由于个别原因导致了语音模块识别的过程较长，反应不够灵活，语音控制的效率不够高效，但是由于时间紧迫，以至于不能够很好的调节过来。根据测评可以得出L298N直流电机驱动器驱动电机转动方向的特性以及运用PWM控制其模块运作的特性如下表PWM调速电机方向IN1IN2IN3IN4调速端A调速端B正转高低/高/反转低高/高/1号电机停止低低/高/正转/高低/高反转/低高/高2号电机停止低低/高表61为了更好地检测语音识别效果，实验中选择多个不同音色的人在实验室