基于lm3s811的聲控輪式機(jī)器人

基于LM3S811的聲控輪式機(jī)器人摘要本聲控輪式機(jī)器人以LM3S811芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的基本技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)輔以LD3320語音模塊，由特定的麥克風(fēng)接收到相應(yīng)的語音命令，經(jīng)過LD3320芯片進(jìn)行語音識(shí)別后芯片內(nèi)部的16位A/D將相應(yīng)的語音命令轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絃M3S811中，從而改變PWM的占空比再通過L298N的協(xié)助從而達(dá)到運(yùn)用語音操控輪式機(jī)器人的運(yùn)行。關(guān)鍵詞語音控制；輪式機(jī)器人；語音識(shí)別；PWMDESIGNOFVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTBASEDONLM3S811ABSTRACTTHEVOICECONTROLLEDWHEELEDMOBILEROBOTISBASEDONLM3S811CHIPASTHECORE,REALIZEDTHEBASICTECHNICALINDEXESTHEDESIGNCOMBINEDWITHLD3320VOICEMODULE,BYSPECIFICMICROPHONERECEIVESTHECORRESPONDINGVOICECOMMAND,AFTERTHELD3320CHIPAFTERSPEECHRECOGNITIONCHIP16BITA/DWILLBETHECORRESPONDINGVOICECOMMANDISCONVERTEDINTOACORRESPONDINGDIGITALSIGNALISTRANSMITTEDTOTHELM3S811,THEREBYCHANGINGTHEPWMDUTYCYCLETHROUGHTHEASSISTANCEOFL298NTOUSEVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTOPERATIONKEYWORDVOICECONTROLLEDWHEELEDROBOTVOICERECOGNITIONPWM目錄1引言32系統(tǒng)方案43系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)64系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)85系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和創(chuàng)新96評(píng)測(cè)與結(jié)論107參考文獻(xiàn)118附錄121引言目前，語音識(shí)別技術(shù)和小型輪式機(jī)器人已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在軍事、工業(yè)生產(chǎn)以及普通民用的行列中，其應(yīng)用面寬廣，發(fā)展前景遠(yuǎn)大，在各個(gè)行業(yè)中擔(dān)當(dāng)著極其重要的角色。小型輪式機(jī)器人以體積小、成本低、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被運(yùn)用各種特殊的環(huán)境下，從而取得了行內(nèi)外生產(chǎn)廠家和研究者的喜愛和研究。而語音識(shí)別技術(shù)被認(rèn)定為2000年至2010年間信息技術(shù)領(lǐng)域十大重要的科技發(fā)展技術(shù)之一，從而得到了快速穩(wěn)健的發(fā)展。結(jié)合于此，本文將闡述一個(gè)運(yùn)用語音識(shí)別技術(shù)控制小型輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)。TEXASINSTRUMENTS公司的STELLARISARMCORTEXM3系列的內(nèi)核不僅僅能應(yīng)用于低成本、小管腳數(shù)和低功耗的平臺(tái)上，而且還具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。從而得到了廣大市場(chǎng)的認(rèn)可和應(yīng)用。所以本團(tuán)隊(duì)將采用STELLARISARMCORTEXM3系列的LM3S811平臺(tái)完成所需要的技術(shù)指標(biāo)。2系統(tǒng)方案21語音識(shí)別系統(tǒng)方案一以ARMCORTEXM3為核心，輔以喇叭和麥克風(fēng)以及相關(guān)電路，由本小自己開發(fā)一套語音識(shí)別軟件配合上述硬件組成一個(gè)語音采集識(shí)別模塊。方案二采用ICROUTE公司生產(chǎn)的LD3320高性能語音識(shí)別芯片和相關(guān)外設(shè)。對(duì)上述兩個(gè)方案進(jìn)行比較可見，方案一中的語音采集識(shí)別軟件工程編寫繁雜沉重且難以實(shí)現(xiàn)，故而放棄方案一。反觀方案二，由于LD3320芯片集成了語音識(shí)別處理器和外部電路，其中包括16位的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)、音頻輸出等接口，且不需要外接諸如FLSHA、ARM等多余的輔助芯片，故而本設(shè)計(jì)選擇方案二。22輪式機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)由于本設(shè)計(jì)的動(dòng)力控制模塊所采用的是直流減速電機(jī)，所以就本系統(tǒng)而言，運(yùn)用可控的直流電源即可達(dá)到直流調(diào)速?，F(xiàn)列出較常用的直流調(diào)速系統(tǒng)。方案一旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，即用交流發(fā)電機(jī)給所需要調(diào)速的直流電機(jī)供電。這個(gè)過程中調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出的電壓，從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)控制調(diào)速的目的。方案二脈沖寬度調(diào)制（PULSEWIDTHMODULATION），簡(jiǎn)稱PWM，即由微處理器輸出一組數(shù)字信號(hào)，可以調(diào)節(jié)其晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間（占空比），即通過改變脈沖寬度來增加或者減小輸出電壓的平均值，借此來控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以達(dá)到控制直流電機(jī)運(yùn)行的目的。由此比較上述兩個(gè)方案，由于方案一中所取設(shè)備較多，體積較大，成本很高，維護(hù)不方便等劣勢(shì)，故不采用方案一。而由于PWM操作方便，功耗極小，而且尤為重要的是其控制效率極高，綜上所述，本設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)選擇方案二。23控制系統(tǒng)方案一由低通濾波器和功率放大器組成的濾波放大電路結(jié)合H橋組成的系統(tǒng)。當(dāng)PWM通過低通濾波器整流以后，輸出的信號(hào)會(huì)被整流為直流，再經(jīng)由功率放大器，對(duì)整流過的信號(hào)進(jìn)行放大處理，由此進(jìn)入H橋，通過H橋的特性來控制輪式機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)。方案二采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由PWM提供L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需要的工作電壓，并相應(yīng)的改變PWM的占空比來控制直流電機(jī)的工作。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，其主要芯片L298N由于工作電壓高，輸出電流大等特點(diǎn)，受到了控制行業(yè)廣大愛好者的使用。對(duì)比此前的兩個(gè)方案，方案一明顯的比方案二復(fù)雜許多，且進(jìn)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，方案一中由于各種原因?qū)е铝颂幚砥髌脚_(tái)的電壓對(duì)方案一模塊造成了很大的干擾，故而與較為簡(jiǎn)單的方案二比較而言，更傾向與方案二，所以本組就控制系統(tǒng)而言，選擇方案二。24本系統(tǒng)介紹本系統(tǒng)以CORTEXM3系列的LM3S811芯片為基礎(chǔ)，以LD3320語音模塊和L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為助理實(shí)現(xiàn)了一個(gè)語音識(shí)別控制的輪式機(jī)器人。由語音接收麥克風(fēng)接收到相應(yīng)的語音指令，經(jīng)由LD3320芯片進(jìn)行非特定語音識(shí)別后再由其芯片內(nèi)部的16位A/D將相應(yīng)的語音命令轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到LM3S811中，繼而改變LM3S811輸出的PWM的占空比來控制L298N的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到運(yùn)用語音操控輪式機(jī)器人的目的。其整體框圖如下。PWM內(nèi)部A/DLM3S811L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器LD3320語音識(shí)別紅外傳感器直流電機(jī)語音命令內(nèi)部A/D圖21系統(tǒng)總體框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件部分由以下三部分組成最小系統(tǒng)、語音識(shí)別模塊、控制模塊，下面對(duì)其分別介紹。31最小系統(tǒng)本最小系統(tǒng)主要包括LM3S811、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。系統(tǒng)整體以LM3S811為核心。LM3S811含有豐富的片上外設(shè)資源，如ADC、看門狗、PWM、SPI等。本系統(tǒng)未使用LM3S811片上的看門狗和SPI模塊，而只使用了其片上的PWM、ADC、GPIO及SSI等模塊，無需擴(kuò)展外部ROM等。而LM3S811協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的有序工作及承擔(dān)著語音信號(hào)處理的任務(wù)。LM3S811的另外一個(gè)特點(diǎn)就是有六路高精度的PWM，此PWM可用于高精度控制直流電機(jī)的運(yùn)作，此特色是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵之處。32語音模塊語音模塊的SDCK、SCS、SDO、SDI接口分別與LM3S811的SSICLK、SSIFSS、SSIRX、SSITX接口相連以至與核心芯片進(jìn)行串行通信。圖31語音模塊33控制模塊本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)控制模塊是由L298N芯片組成的驅(qū)動(dòng)器組成，采用由LM3S811內(nèi)部PWM產(chǎn)生PWM波來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的速度和方向。且L298N驅(qū)動(dòng)器模塊還具有以下特點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)、具有過電壓和過電流保護(hù)、PWM脈寬平滑調(diào)速等特點(diǎn)。由電池組提供驅(qū)動(dòng)器所取的5V電壓，而其控制電壓則由PWM波來提供，方便其調(diào)速和調(diào)整方向。圖32L298N芯片內(nèi)解4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)A軟件總體框圖PWM初始化系統(tǒng)時(shí)鐘初始化TMER初始化GPIO初始化LD3320寄存器初始化LD3320ASR初始化TIMER中斷初始化函數(shù)PWM中斷中斷模塊主程序PWM模塊改變小車行動(dòng)TIMER模塊改變PWM的占空比LD3320ASR中斷寄存器初始化GPIO中斷GPIO中斷模塊讀取LD3320的0XC5寄存器來改變小車的值圖41軟件總框架圖B初始化模塊LM3S811的初始化主要包括初始化部分GPIO管腳，PWM，通用計(jì)時(shí)器。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為6MHZ，不分頻，配置PWM，該機(jī)器人需要4路PWM波來控制小車行為，初始化占空比為40。初始化兩個(gè)計(jì)時(shí)器來提供中斷，并且可以緩沖小車的一個(gè)動(dòng)作與另一個(gè)動(dòng)作之間的銜接，計(jì)時(shí)器初始化為32位，周期計(jì)時(shí)器。在使用SPI通訊時(shí)，SPI的模擬需要4個(gè)GPIO的管腳，來與LD3320之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以配置GPIOA2口為輸出模式且下降沿有效，發(fā)出CLK信號(hào)給從機(jī)，GPIOA3為輸出模式，發(fā)出片選信號(hào)給從機(jī)，并且低電平有效。GPIOA4配置為輸入模式，接受從機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)。LD3320的需要通過主機(jī)將片選信號(hào)拉高，然后在拉低，再拉高，從而使LD3320初始化，并且將需要識(shí)別的關(guān)鍵詞的拼音與詞的拼音編號(hào)的數(shù)組存放在寄存器中，供識(shí)別使用。C中斷模塊在LMS3811中，中斷主要由通用計(jì)時(shí)器（TIMER）和GPIO口發(fā)出。LD3320中，中斷由ASR語音識(shí)別提供。當(dāng)LD3320的麥克采集到聲音的時(shí)候，ASR就會(huì)運(yùn)行，并對(duì)采集到的聲音識(shí)別，無論識(shí)別的聲音是設(shè)置好的聲音，ASR都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，通過LD3320的INTB口發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)給LM3S811的中斷GPIO口，觸發(fā)該口的終端，進(jìn)入中斷函數(shù)中，執(zhí)行讀取操作，讀取LD3320中的識(shí)別結(jié)果寄存器0XC5，得到值用SWITCH中選擇相應(yīng)小車操作的函數(shù)，通過該函數(shù)使用TIMER0計(jì)時(shí)器，05秒后，出發(fā)TIMER0中斷，執(zhí)行中斷函數(shù)，改變PWM的占空比，開改變小車的行為。一次識(shí)別結(jié)束（如圖42）。麥克采集到聲音ASR開始運(yùn)行識(shí)別采集到聲音將最優(yōu)識(shí)別結(jié)果放入0XC5寄存器引發(fā)中斷將INTB管腳發(fā)出中斷信號(hào)計(jì)時(shí)完成進(jìn)入中斷函數(shù)，引發(fā)中斷是否為低電平觸發(fā)GPIO中斷讀取0XC5的值是否初始化時(shí)各個(gè)關(guān)鍵詞的編號(hào)使能TIMERA中斷改變PWM占空比完成一次識(shí)別GPIO繼續(xù)等待觸發(fā)完成一次識(shí)別YNYN圖42中斷框架圖D語音模塊語言模塊使用LD3320芯片，通過SPI串口通信，來完成整一個(gè)語音識(shí)別過程。當(dāng)麥克采集到語音的時(shí)候，將采集到聲音經(jīng)過DIS算法，與初始化時(shí)存儲(chǔ)在寄存器中的關(guān)鍵詞來對(duì)比，將對(duì)比的結(jié)果分級(jí)，最優(yōu)的識(shí)別結(jié)果相應(yīng)編號(hào)放在0XC5寄存器中，當(dāng)完成一次識(shí)別的同時(shí)，ASR發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)給配置了GPIO中斷的管腳，管腳得到中斷后，執(zhí)行函數(shù)，通過讀取0XC5中的值，來執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，改變小車行為。EPWM控制模塊通過控制PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)小車的行為改變，使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N（如圖81）該驅(qū)動(dòng)器需要4路PWM波，兩路為一組控制小車一個(gè)電機(jī)，分別初始化PWM2、PWM3、PWM4、PWM5,PWM2與PWM3為一組，PWM4與PWM5為一組，根據(jù)L298N的輸入控制，當(dāng)一組PWM波中的一個(gè)占空比幾乎等于零時(shí)，另一個(gè)具有明顯的方型波時(shí)才能將時(shí)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動(dòng)，將他們的占空比反過來，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車后退行為。當(dāng)一組的PWM波的占空比設(shè)置為零時(shí)，一組不變或變大，那么小車就可以進(jìn)行左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。當(dāng)兩組的其中一個(gè)PWM波同時(shí)增大或者減小相同的倍數(shù)的時(shí)候，就可以實(shí)現(xiàn)小車加速或者減速。占空比的更改，在計(jì)時(shí)器的中斷函數(shù)中來改變。FSPI模塊LD3320語音模塊與LM3S811之間的通訊通過SPI的串口通訊來實(shí)現(xiàn)，LM3S811中帶有SPI的硬設(shè)，但是靈活性很低，LD3320對(duì)SPI的時(shí)序要求很高，所以使用軟件模擬SPI的方法，這樣就可以輕松的去調(diào)整時(shí)序。要使用軟件模擬SPI通訊，就需要4條通訊通道，CLK時(shí)鐘信號(hào)且下降沿有效，CSS片選，且低電平有效，RX讀取數(shù)據(jù)，TX寫入數(shù)據(jù)。因?yàn)長(zhǎng)D3320中是有兩個(gè)FIFO，將讀取通道和寫入通道分開。FIFO（FIRSTINFIRSTOUT，先讀先出）緩存，以隊(duì)列的形式將數(shù)據(jù)從對(duì)頭寫入，隊(duì)尾讀出，起到緩沖的作用，可以為L(zhǎng)D3320讀寫寄存器爭(zhēng)取一定的時(shí)間，使得讀寫更加穩(wěn)定。外設(shè)BCDA主機(jī)E圖43FIFO緩存示意圖LD3320的兩個(gè)FIFO一個(gè)用于存放寫入的數(shù)據(jù)，一個(gè)用于存儲(chǔ)讀出的數(shù)據(jù)，這樣讀寫數(shù)據(jù)也不會(huì)擁擠。SPI的通訊分主從機(jī)，由主機(jī)發(fā)送CLK信號(hào)，和CSS片選信號(hào)來控制什么時(shí)候該讀取數(shù)據(jù)，和跟哪一個(gè)外設(shè)進(jìn)行通訊，從機(jī)根據(jù)CLK信號(hào)和CSS信號(hào)將需要讀寫的值取出或者寫入。當(dāng)CLK信號(hào)到達(dá)下降沿的時(shí)候，且CSS處于低電平時(shí)，主機(jī)和從機(jī)之間可以進(jìn)行通訊，通訊的幀格式為指令8BIT，地址8BIT,數(shù)據(jù)8BIT。圖44寫入數(shù)據(jù)波形圖所以根據(jù)這個(gè)原理來模擬SPI，初始化的GPIOA2CLK，GPIOA3CSS口為高電平，在執(zhí)行寫入操作時(shí)，首先將GPIOA2CLK和GPIOA3CSS變?yōu)榈碗娖捷敵?，將第一位指令的?shù)值判斷，如果為1那么就GPIOA4（TX）就會(huì)輸出1信號(hào)，然后將GPIOA2CLK口寫為高電平輸出，將這個(gè)過程循環(huán)8次，這樣就完成一個(gè)指令的發(fā)送，地址和數(shù)據(jù)的發(fā)送過程也是一樣的，在完成了所有的數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)，再將GPIOA3CSS變?yōu)楦唠娖捷敵?。讀取首先也是需要將指令和地址發(fā)送出去，然后LD3320才會(huì)將對(duì)應(yīng)地址的值發(fā)回給LM3S811，這就簡(jiǎn)單的完成了SPI的模擬（如圖44）。CLK信號(hào)CS片選RX讀取TX寫入FIFO_WRITEFIFO_READSCLK信號(hào)SCS片選SRX讀取TX寫入圖44SPI讀寫示意圖5系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和創(chuàng)新本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及創(chuàng)新有以下幾點(diǎn)一、本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)充分考慮到了成本問題，在完成基本運(yùn)作的情況盡量壓縮成本。例如在語音采集識(shí)別模塊，本可以用ARMCORTEXM3，輔以喇叭和麥克風(fēng)以及相關(guān)電路，開發(fā)一套語音識(shí)別軟件配合上述硬件組成一個(gè)語音采集識(shí)別模塊。但是采用如此方法即增加了極大的工作量，也使其成本大大增加。在本設(shè)計(jì)中，充分利用了ARM的協(xié)調(diào)作用，使其發(fā)揮協(xié)調(diào)管理各個(gè)硬件模塊，大大的降低了硬件成本。二、根據(jù)非特定語音識(shí)別模塊采集到語音命令而產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過LM3S811的處理而產(chǎn)生相應(yīng)的PWM從而通過控制L298N來實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人的運(yùn)作。三、通過運(yùn)用紅外射線模塊采集到的小車的速度信號(hào)傳輸?shù)絃M3S811中，再應(yīng)用PID算法中的PI算法來平衡控制小車的速度。本系統(tǒng)的創(chuàng)新正是在充分考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵而實(shí)現(xiàn)的，創(chuàng)新點(diǎn)主要就是非特定語音識(shí)別采集模塊，語音識(shí)別模塊必須事先對(duì)輸入語音進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，其中就包括訓(xùn)練和識(shí)別過程。其中訓(xùn)練就是通過用戶輸入若干次訓(xùn)練語音，經(jīng)過預(yù)處理和特征提取后得到特征參數(shù)，最后通過特征參數(shù)建模達(dá)到建立訓(xùn)練語音的參考模型庫的目的。識(shí)別過程就是將輸入語音的特征矢量參數(shù)和參數(shù)模型庫中的參考模型進(jìn)行相似比較，然后將相似度最高的輸入特征矢量作為識(shí)別結(jié)果輸出，從而達(dá)到語音識(shí)別的目的。6評(píng)測(cè)與結(jié)論61測(cè)評(píng)在本作品中，語音識(shí)別模塊、輪式機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊等性能的性能的好壞最終都反映在輪式機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)功能時(shí)候的靈活度和處理效率上。在系統(tǒng)測(cè)評(píng)中，各個(gè)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)順利，輪式機(jī)器人的運(yùn)作基本達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，但是由于個(gè)別原因?qū)е铝苏Z音模塊識(shí)別的過程較長(zhǎng)，反應(yīng)不夠靈活，語音控制的效率不夠高效，但是由于時(shí)間緊迫，以至于不能夠很好的調(diào)節(jié)過來。根據(jù)測(cè)評(píng)可以得出L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的特性以及運(yùn)用PWM控制其模塊運(yùn)作的特性如下表PWM調(diào)速電機(jī)方向IN1IN2IN3IN4調(diào)速端A調(diào)速端B正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/1號(hào)電機(jī)停止低低/高/正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高2號(hào)電機(jī)停止低低/高表61為了更好地檢測(cè)語音識(shí)別效果，實(shí)驗(yàn)中選擇多個(gè)不同音色的人在實(shí)驗(yàn)室