智能輪椅語音導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計開題報告(3)

1、 中 北 大 學 信 息 商 務(wù) 學 院畢業(yè)設(shè)計開題報告學 生 姓 名：學 號：09050541X學 院、系：信息與通信工程系專 業(yè)：自動化設(shè) 計 題 目：智能輪椅語音導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計指導(dǎo)教師:賈建芳 2013年3月18日開題報告填寫要求1開題報告作為畢業(yè)設(shè)計答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學生在畢業(yè)設(shè)計工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審查后生效；2開題報告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3學生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、

2、手冊）。文中應(yīng)用參考文獻處應(yīng)標出文獻序號，文后“參考文獻”的書寫，應(yīng)按照國標GB 771487文后參考文獻著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；4學生的“學號”要寫全號（如02011401X02），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當按照國標GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導(dǎo)教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻

3、 綜 述1.1 研究背景及意義隨著社會老齡化程度的不斷加快以及社會文明程度的不斷發(fā)展，老年人以及肢體殘疾者對生活質(zhì)量有了更高要求，他們迫切需要運用現(xiàn)代化工具來改善自己的生活質(zhì)量，提高活動的自由度1。另外，無法預(yù)料的天災(zāi)人禍、交通事故以及各種疾病，造成很多人肢體的不健全，他們喪失了一種或多種生活能力。社會各界人士也開始關(guān)注老年人以及肢體殘疾者的生活，為了提高他們的生活質(zhì)量和活動自由度，很多研究機構(gòu)推出了助老/助殘智能服務(wù)機器人系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中的一個重要研究領(lǐng)域就是智能輪椅的研究，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的科學工作者開始了這方面的研究。到目前為止，高性能的輪椅控制器的核心技術(shù)仍然被國外企業(yè)壟斷，其產(chǎn)

4、品高昂的售價讓國內(nèi)消費者望而興嘆。另外，智能輪椅在提高老年人以及肢體殘疾者的生活質(zhì)量和活動自由度方面發(fā)揮了很大作用，市場潛力巨大。因此，開發(fā)出一套性能好、成本低的國產(chǎn)輪椅控制器，是國內(nèi)科研工作人員的重要課題。研究并開發(fā)一套實用的智能輪椅語音識別與控制系統(tǒng)具有相當重要的現(xiàn)實意義2。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢國外對智能輪椅的研究可以追溯到 20 世紀 80 年代，世界第一輛智能輪椅是英國于 1986 年研制的。繼英國之后，其它國家也投入大量經(jīng)費開始了智能輪椅的研究，研發(fā)機構(gòu)大部分為高等院校和科研機構(gòu)。當時的研發(fā)機構(gòu)有：美國麻省理工學院、不萊梅大學、德國烏爾姆大學、韓國高級科技研究所等311。由

5、于各個研發(fā)機構(gòu)的研究內(nèi)容和方法不同，所以研發(fā)的輪椅具備不同的功能。各大研發(fā)機構(gòu)中研制的功能比較齊全的一款智能輪椅是由美國麻省理工智能實驗室研制的。這款智能輪椅是在電動輪椅的基礎(chǔ)上配備了 PC 機和各種傳感器，此輪椅具備人機界面交互功能。使用者可以使用操縱桿方式、菜單方式或者用戶界面接口方式對輪椅進行控制。在操縱桿方式下，用戶通過控制操縱桿來控制輪椅的各種運動并且可以實現(xiàn)避碰；用戶界面模式下，用戶可以使用鷹眼系統(tǒng)來驅(qū)動智能輪椅的運動。該輪椅在 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告國際聯(lián)合會的機器人輪椅展中獲得冠軍，并且是唯一不需要人來指導(dǎo)就可以穿過門口的機器人。我國對智能輪椅的研究晚于世界其它國家，雖

6、然在機構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外有一定差距，但某些技術(shù)指標已經(jīng)接近國外先進水平。中科院自動化所承擔了“863”智能機器人智能輪椅項目，研制出我國第一臺多模態(tài)交互式智能輪椅樣機，該樣機采用嵌入式控制系統(tǒng)。該機器人輪椅名為 NLPR，具有視覺和口令導(dǎo)航功能并且能夠與人進行語音交互，用戶能夠通過語音控制輪椅實現(xiàn)各種運動。在智能機器人領(lǐng)域內(nèi)，目前有一些人工智能產(chǎn)品可以與人進行短暫的對話，比如愛爾蘭媒體實驗室開發(fā)的名為“人類”的新型機器人；以及中國科學院自動化研究所最新研制的表情機器人“童童”等。語音識別技術(shù)在機器人控制領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)在語音控制機器人技術(shù)上，因此，語音控制機器人技術(shù)的研究與發(fā)展取決于語音

7、識別技術(shù)的研究與發(fā)展14。語音識別技術(shù)的研究始于 20 世紀 50 年代，1952 年 Bell 實驗室成功開發(fā)出世界上第一個語音識別系統(tǒng)-Audry 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別 10 個英文數(shù)字，當時主要是研究語音學的基本概念和原理。60 年代的重要成果是提出了線性預(yù)測分析技術(shù)(Linear Prediction,LP)和動態(tài)規(guī)劃算法(Dynamic Programming,DP)，較好的解決了語音的特征提取和時間不等長匹配問題。70 年代，人們對語音識別技術(shù)的研究開始了飛速發(fā)展，研究重心為孤立詞語音識別，并取得了突破性成果。動態(tài)時間歸整技術(shù)(Dynamic Time Warping，DTW)基本

8、成熟，特別是提出了矢量量化(Vector Quantization,VQ)和隱馬爾可夫模型(Hidden MarkovModel,HMM)理論。實現(xiàn)了基于線性預(yù)測倒譜和 DTW 技術(shù)的特定人孤立詞語音識別系統(tǒng)。80 年代，語音識別研究進一步走向深入，連接詞和大詞匯量連續(xù)語音識別成為研究熱點，HMM 模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法在語音識別中成功應(yīng)用。統(tǒng)計模型取代模板匹配的方法成為主流的語音識別技術(shù)。具有代表性的系統(tǒng)有：1988 年美國卡耐基梅隆大學(CMU)基于 VQ/HMM 開發(fā)的 997 個詞匯的非特定人連續(xù)語音識別系統(tǒng)SPHINX。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告90 年代，語音識別技

9、術(shù)逐漸由實驗室走向?qū)嵱没?。許多國外大公司推出了比較成功的大詞匯量、連續(xù)語音識別系統(tǒng)，比如 IBM 的 ViaVoice 系列、Microsoft 的 WhisPer、CMU 的 SPHINX-II，這些系統(tǒng)大多都采用了隱馬爾可夫模型。目前具有代表性的語音識別方法主要有特征參數(shù)匹配法、隱馬爾科夫法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法15。在語音識別領(lǐng)域，IBM 公司的技術(shù)已日趨成熟。IBM 公司于 1998 年開發(fā)出可以識別上海話、四川話和廣東話等地方口音的語音識別系統(tǒng) ViaVoice98，其平均識別率可以達到 90%以上，是目前最具有代表性的漢語連續(xù)語音識別系統(tǒng)。我國的語音識別研究工作近年來發(fā)展很快，同時也開始從實

10、驗室逐步走向?qū)嵱没?987 年開始執(zhí)行 863 計劃，國家 863智能計算機主題專家組為語音識別的研究立項。從 1991 年開始，專家組每一兩年舉行一次全國性的具有較高水平的語音識別系統(tǒng)測試，這些都說明漢語語音識別研究已經(jīng)走上了組織化的道路16。目前，我國對語音識別技術(shù)的研究在某些領(lǐng)域已達到國際先進水平?？拼笥嶏w作為我國最大的智能語音技術(shù)提供商，在智能語音技術(shù)領(lǐng)域有著長期的研究積累，并在中文語音合成、語音識別、口語評測等多項技術(shù)上擁有國際領(lǐng)先的成果。科大訊飛曾在國際英文合成大賽（BlizzardChallenge）上奪得六連冠，在 2011 年的“2011NIST”語種識別評測大賽上獲得國際

11、亞軍，為中國科技界贏得了榮譽。從各大公司、各研究機構(gòu)的語音研究項目來看，語音識別正在向綜合化方向發(fā)展?？傊Z音識別的研究正在朝深度和廣度不斷發(fā)展。1.3相關(guān)理論智能輪椅是一種服務(wù)于老年人、殘疾人的助老/助殘機器人，它涉及到計算機控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、電機控制技術(shù)、語音識別技術(shù)、圖像處理技術(shù)等多學科知識。智能輪椅的關(guān)鍵技術(shù)之一是人機接口技術(shù)，常見的人機接口技術(shù)有以下幾種：（1） 語音控制。語音作為一種自然、方便的交流方式，在智能輪椅的設(shè)計中必不可少。使用者可以通過語音控制智能輪椅的各種運動，同時輪椅也可以與使用者進行簡單的對話，極大的方便了使用者對輪椅的控制。德國不萊梅大學開發(fā)的 Rol

12、land 項目中采用了語音控制。（2） 呼吸驅(qū)動。使用者通過在智能輪椅的壓力傳感器上呼氣來控制輪椅的運動。西班牙 SIAMO 智能輪椅上安裝有差動氣流傳感器，該傳感器檢測呼吸氣流的強度和方 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告向，經(jīng)過處理和編碼后將控制指令傳送到導(dǎo)航模塊，進而實現(xiàn)輪椅的控制。（3） 鷹眼系統(tǒng)。對于全身癱瘓或者喪失語言和肌肉控制能力的人群，波士頓大學研究了將鷹眼系統(tǒng)用于智能輪椅的控制中。鷹眼系統(tǒng)技術(shù)基于測量眼電圖和眼電壓，使用者通過移動頭部和眼睛來移動屏幕的光標，從而控制輪椅的運動。今后智能輪椅控制技術(shù)的研究方向?qū)⑾蛑悄芑⒕W(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展17。人機交互更加自然，人機接口更加多樣化，使用

13、者可以用手勢、語音、頭姿、腕姿甚至肌電信號控制和大腦意念信號控制等方式控制輪椅移動18-20。在安全保障方面，新型智能輪椅將能夠?qū)崟r監(jiān)測自身的運動狀態(tài)，對危險進行報警和阻止，盡可能避免危險的發(fā)生。參考文獻：1 Juang B H, Tsuhan Chen. The past, present, and future of speech processingJ. IEEE Signal Processing Magazine, 1998,15(3):2448.2 張桂榮.人口老齡化與社會養(yǎng)老保險D.山東:山東大學碩士學位論文.2008.3 F. Leishman, O. Horn, G. Bou

14、rhis. Smart wheelchair control through a deictic approachJ. Robotics and Autonomous Systems, 2010,58(7):11491158.4 G. Bourhis, Y. Agostini. Man machine cooperation for the control of an intelligent powered wheel chairJ. in: Mobile Robots in Health Care Services, Journal of Intelligent and Robotic Sy

15、stems, 1998,22:269287 (special issue).5 R. Simpson, E. LoPresti, S. Hayashi, I. Nourbakhsh, and D. Miller, The Smart Wheelchair component System, Journal of Rehabilitation Research & Development, 2004,41(3): 429442.6 R.S. Rao, K. Conn, S.H. Jung, J. Katupitiya, Human robot interaction: application t

16、o smart wheelchairs, in: Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 2002.7金晶.輪椅機器人語音識別、控制技術(shù)的研究D.蘇州:蘇州大學碩士學位論文. 2006.8 詹新明, 黃南山.語音識別技術(shù)研究進展J.現(xiàn)代計算機,2009.9 何湘智.語音識別的研究與進展J.計算機與現(xiàn)代化, 2002(3):36. 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告10 宋亮, 王喜太, 王占雷 等. 一種基于 DSP 的智能輪椅驅(qū)動控制系統(tǒng)方案J.微計算機信息2007

17、,23(9): 2526.11 王仁杰.智能輪椅驅(qū)動控制與避碰的研究D.江蘇:江蘇科技大學碩士學位論文.2009:78.12 顧繩谷.電力及拖動基礎(chǔ)M.第 2 版.北京:機械工業(yè)出版社1997:1355.13 陳伯時.自動控制系統(tǒng)M.北京:中央廣播電視大學出版社,1988.14 張培仁, 張志堅, 高修峰 等.十六位單片機微處理器原理及應(yīng)用(凌陽 SPCE061A) M.北京:清華大學出版社,2005.15 林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路M.浙江:浙江大學出版社,2002.16 李小雄, 譚建領(lǐng).直流調(diào)速系統(tǒng)模糊控制的 DSP 實現(xiàn)J.黃河水利職業(yè)技術(shù)學院學報,2003(3):3133.17 白靜,

18、 張雪英.基于支持向量機的抗噪語音識別J.太原理工大學學報, 2009,40(1):1113.18 邊肇祺, 張學工.模式識別M.北京:清華大學出版社,2000.19 王曉峰.IR2130 在 PWM 直流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用J.廣東自動化與信息工程, 2002.20 江思敏.TMS320LF240xDSP 硬件開發(fā)教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2003, 25190. 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1本課題要研究或解決的問題本課題要完成的主要內(nèi)容是設(shè)計一套智能輪椅語音識別與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠識別“前進”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”等基本語

19、音指令，并且將語音指令轉(zhuǎn)化成控制指令，控制輪椅電機的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)智能輪椅的“前進”、“后退”“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”等基本運動方式。1、在熟悉智能輪椅的工作原理的基礎(chǔ)上，進一步深入分析基于語音識別技術(shù)的智能輪椅導(dǎo)航控制系統(tǒng)的運行原理；2、分析語音識別的基本方法，進行系統(tǒng)總體設(shè)計；3、在理解凌陽16 位單片機SPCE061A的工作原理后，進行智能輪椅語音導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件選型與電路設(shè)計；4、繪制語音導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件電路原理圖；5、進行智能輪椅語音導(dǎo)航控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。2.2研究手段一個典型的語音識別過程包括語音信號的預(yù)處理特征提取、訓練、識別、后處理五個基本單元。參考模式庫 訓練特征提取預(yù)處

20、理 語音輸入后處理模式匹配 識別(l)預(yù)處理語音信號的預(yù)處理,包括預(yù)濾波、語音信號的數(shù)字化、預(yù)加重處理、分幀、噪聲抑制和端點檢測等。語音信號的預(yù)處理是語音識別過程的前期預(yù)備工作,為以后各個環(huán)節(jié)的處理奠定了基礎(chǔ)。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告(2) 特征提取預(yù)處理后進行特征參數(shù)的提取,合理的選用語音特征是語音識別的一個根本問題,并且對系統(tǒng)的識別性能有著重要的影響。因此,針對系統(tǒng)的實際需求,選用合理的語音特征參數(shù)是非常關(guān)鍵的。(3) 模型訓練經(jīng)過預(yù)處理及特征提取,進行模型訓練,訓練過程的目的是讓系統(tǒng)從大量的真實語音中學習必要的模型參數(shù)形成語音參考模式庫。(4) 模式匹配根據(jù)一定的規(guī)則,利用上述模

21、型參數(shù)對輸入的語音進行模式匹配,并給出一個識別結(jié)果。(5) 后處理后處理單元可能涉及語句分析、語句理解、語義網(wǎng)絡(luò)以及語言模型等。它往往不是一個孤立的單元,而是與匹配計算單元、參考模式庫融合在一起,構(gòu)成一個邏輯關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)整體。目前后處理在小詞匯量實用語音系統(tǒng)中還很難使用。凌陽SPCE061A語音識別控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括微處理器電路模塊、外擴存儲器、音頻電路模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、直流電機及執(zhí)行機構(gòu),語音識別控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。電源模塊電壓轉(zhuǎn)換器麥克風直流電機電機驅(qū)動模塊功放與喇叭輪椅左右輪外擴存儲器 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告實現(xiàn)原理:先通過話筒對系統(tǒng)進行訓練每一個語音命令,提取出的特征參數(shù)作為參考樣本,存放在由FLASH存儲器構(gòu)成的模板庫中,識別過程中,把待測的語音信號與參考模板庫中的各個模板進行相似度比較,最相似的即識別信號,然后播放識別結(jié)果進行相關(guān)的操作。如果待測語音信號與各個樣本模板偏離均較大,可設(shè)置重新輸入。然后并將識別得出的信號遞交至輪椅驅(qū)動模塊,以驅(qū)動輪椅的電機實現(xiàn)輪椅的運動。 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師： 年 月 日所在系審查意見： 系主任： 年 月 日附件：參考文獻格式學術(shù)期刊 作者論文題目期刊名稱，出版年份，卷(期)：頁次如果作者的人數(shù)多于3人，則寫前三位作者的名字后面加“等”，作