智能語音機器人的硬件開發(fā)與設(shè)計

智能語音機器人的硬件開發(fā)與設(shè)計【摘要】本作品以控制和檢測為主要內(nèi)容，主要由機器人控制本體和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺組成。本文從控制器模塊、語音輸入模塊、語音輸出模塊、電機控制模塊、圖像采集模塊以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺幾方面對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計?！娟P(guān)鍵詞】語音機器人；硬件設(shè)計；SPCE061A；LonWorks本課題來源于江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目中的一部分。為推動高等職業(yè)教育教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，提高大學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的創(chuàng)新，將科研和教學(xué)有效的結(jié)合促進(jìn)學(xué)生知識、能力、創(chuàng)新素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展。本項目中機器人的設(shè)計為學(xué)生搭建了良好實踐創(chuàng)新平臺，使學(xué)生的理論知識能夠運用于實踐，充分發(fā)揮了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，鍛煉了學(xué)生實踐動手能力，分析問題能力和解決問題的能力。1.設(shè)計背景本課題主要以控制和檢測為主要設(shè)計內(nèi)容、著重訓(xùn)練單片機、模電、數(shù)電和信號處理與檢測、組網(wǎng)、網(wǎng)頁設(shè)計等能力，同時考慮減少設(shè)計周期和成本，以市場現(xiàn)有的玩具機器人作為控制對象的外殼，拆掉內(nèi)部芯片，形成本作品的機械主體，為達(dá)到設(shè)計內(nèi)容的完整性，只對機器人的機械主體進(jìn)行了仿真建模。2.機械結(jié)構(gòu)主體的建模與改裝（1）利用PRO/E對機器人進(jìn)行三維實體的仿真建模。（2）機器人的機械主體是利用現(xiàn)有的機器人改裝形成的。機器人主要分4大塊：頭部、腿部、前胸、后背。主要改裝流程如下：①拆卸機器人頭部、腿部、前胸、后背等組成部分；②拆掉控制芯片，并對相應(yīng)電機的控制線做記號；③組裝機器人，并將控制線引到機殼外。（3）利用連桿機構(gòu)實現(xiàn)了機器人的手臂動作，機器人的腿部電機驅(qū)動機器人的腿動作時，通過連桿機構(gòu)，同時實現(xiàn)手臂的的前后擺動，達(dá)到了無需手臂電機就能實現(xiàn)手臂動作的目標(biāo)，為設(shè)計節(jié)省了電機成本，同時也方便了日后的編程3.硬件系統(tǒng)設(shè)計3.161控制板設(shè)計智能機器人的控制芯片采用61控制板作為基本控制單元，通過模塊化擴展電機控制電路、LED控制電路、圖像采集電路等形成本作品的硬件系統(tǒng)。61控制板主要具有單片機最小系統(tǒng)電路、電源電路、程序下載電路和與外界進(jìn)行信息交換的端口等。3.2功能控制電路設(shè)計功能控制電路的核心部分主要包括眼睛閃爍電路、語音輸入通道、語音輸出通道、電機驅(qū)動電路和圖像采集電路的設(shè)計幾部分。（1）眼睛閃爍電路：在基于SPCE061A最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用IOA0-IOA2三個接口連接多功能鍵S1、S2、S3，用于機器人的語音訓(xùn)練和功能切換。利用兩個發(fā)光二極管作為機器人的眼睛，1K電阻來限流，通過IOB14和IOB15實現(xiàn)LED的閃爍控制，如圖1所示。（2）語音輸入通道：SPCE061A芯片中已經(jīng)集成了音頻輸入專用ADC以及AGC放大電路，因此芯片外部的電路比較簡單，如圖2所示，當(dāng)對著傳聲器講話時，MICP腳和MICN腳將隨著傳聲器輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形，并在SPCE061A的兩個端口處形成兩路反相的波形，送到SPCE061A控制器內(nèi)部的運算放大器進(jìn)行音頻放大，經(jīng)過放大的音頻信號，通過ADC轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，保存到相應(yīng)的寄存器中，然后對這些數(shù)字音頻信號進(jìn)行壓縮、辨識、播放等處理。（3）語音輸出通道：SPCE061A內(nèi)置兩路10位精度的DAC，只需要外接功放電路即可完成語音的播放。音頻信號由SPCE061A的DAC引腳輸出，通過音量電位器R9的調(diào)節(jié)端送到集成音頻功率放大器SPY0030，經(jīng)音頻放大后，音頻信號從SPY0030輸出經(jīng)外接揚聲器播放聲音。（4）電機驅(qū)動電路：機器人驅(qū)動電路采用功率較大的三極管搭成H橋來驅(qū)動電機，可以實現(xiàn)電機的正向旋轉(zhuǎn)與電機的反向旋轉(zhuǎn)。這些電機包括用于走路的左腿電機、右腿電機和脖子電機。（5）圖像采集電路：光學(xué)攝像頭將圖像的顏色與形狀傳給SPCA561A，SPCA561A通過I2C串行總線將采集信息傳送到SPCE563A芯片中，SPCE563A將處理形狀與顏色信息存儲到相應(yīng)的寄存器中，SPCE061A通過SPI串行總線讀取SPCE563A相應(yīng)的寄存器內(nèi)容，進(jìn)而得出識別結(jié)果。SPCE563A芯片的時鐘信號SCK、數(shù)據(jù)傳輸信號SDI、握手請求信號LOAD和復(fù)位信號RSTNN分別同IOA8、IOA9、IOA10、IOA11連接，如圖3所示。4.機器人遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的構(gòu)建4.1功能控制電路設(shè)計考慮LonPoint節(jié)點的實際應(yīng)用環(huán)境，本文設(shè)計以Motoral公司生產(chǎn)的型號為MC143150神經(jīng)元芯片為處理器的LonPoinDI和DO，MC143150芯片支持外部存儲器的擴展，神經(jīng)元芯片負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。功能控制電路的設(shè)計主要包括電源電路、I/O調(diào)理接口、通訊接口和復(fù)位電路、服務(wù)電路、時鐘電路等其它外圍電路的設(shè)計。4.2抗干擾措施通常的供電和接地抗干擾措施外，主要是要避免和消除來自網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的靜電泄放（ESD）和電磁干擾（EMI），即主要針對FTT-10A來設(shè)計抗干擾電路。對于ESD，在印刷電路板（PCB）設(shè)計中應(yīng)提供一個導(dǎo)入大地的通道。對于EMI，因為FTT-10A對垂直雜散電磁場最不敏感，而對水平雜散電磁場最敏感，所以在PCB設(shè)計中應(yīng)使FTT-10A盡量遠(yuǎn)離水平雜散電磁場區(qū)域，對于不可避免的雜散電磁場應(yīng)使其相對于FTT-10A垂直分布。在LonWorks網(wǎng)絡(luò)中傳輸媒體要使用雙絞線，它保證了信號傳遞的質(zhì)量，從而可以使信號傳送到足夠遠(yuǎn)的地點。另外在使用雙絞線時，利用網(wǎng)絡(luò)端點的阻抗匹配提高信號質(zhì)量及傳輸距離。通常，LonWork網(wǎng)絡(luò)傳輸信道已具有足夠的抗噪聲能力，并不需要采用屏蔽雙絞線；如果在某種情況下需要用屏蔽線，則最好將屏蔽層經(jīng)過一個470Ω的電阻單點接地，以防止屏蔽層帶上高壓靜電。5.結(jié)論本系統(tǒng)采用凌陽SPCE061A單片機、SPCA561ACMOS傳感器、SPCA563A圖像處理芯片、全橋驅(qū)動電路和語音輸入＼輸出電路制作了智能語音機器人，機器人采用光學(xué)攝像頭采集圖像信息，利用全橋驅(qū)動電路實現(xiàn)了機器人脖子與四肢電機的協(xié)調(diào)驅(qū)動，在SPCE061A內(nèi)置AD與DA的基礎(chǔ)上，外加功率放大電路就能夠進(jìn)行語音輸入與輸出。利用現(xiàn)場總線的LonPoint節(jié)點和ILON服務(wù)器將上層管理網(wǎng)絡(luò)Internet與底層設(shè)備機器人連接起來，實現(xiàn)機器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。機器人利用分時復(fù)用實現(xiàn)多功能于一體，實驗表明：系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，口令和圖像識別正確率高，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺能夠高精確、高實時性地監(jiān)控機器人的運動和圖像識別狀態(tài)。參考文獻(xiàn)[1]羅亞非.凌陽16位單片機應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.[2]薛嵐，楊帥.基于SPCE061A的智能語音機器人的設(shè)計方案[J].電氣時代，2011，8：116-117.[3]汪敏.凌陽16位單片機實驗與實踐[M].北京