基于语音控制家庭服务机器人的实现修改版

基于语音控制家庭服务机器人的实现

指导教师：王彩霞、王涛

摘要：随着科学技术的发展，以语音识别技术为人机接口的方式将进一步融入到人们的生活当中。本设计主要以单片机为控制核心，通过语音识别技术与通信技术对机器人的步进减速电机、舵机MG996、螺旋升降器进行控制，从而实现对智能服务。同时，我国人口众多，有很多行动不便的老人、残疾人，因此家庭服务机器人有着非常大的市场需求，同时也为我国人口老年化带来新的希望。 关键字：语音识别技术、步进减速电机、舵机、智能控制

1、概述

目前，基于语音识别的人机对话接口技术较为成熟。相比键盘、手写、触屏等而言，该项技术还不够普及，但是随着科学技术的发展，基于语音识别的人机对话方式将进一步得到提高。同时，随着国家经济的发展，基于语音识别的人机对话方式也将进一步扩大化、普及化。从而改善人们的生活水平。在未来，该项技术不仅仅应用于家庭，更多商业、军事、学校等领域会得到广泛的应用。

2、步进电机的控制

本设计主要采用57步进减速电机，选用该步进电机的理由是：扭矩大、噪声小、控制精确、稳定、过载性好等优点。同时，步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机最大特点是：

（1）它是通过输入脉冲信号来进行控制的。 （2）电机的总转动角度由输入脉冲数决定。 （3）电机的转速由脉冲信号频率决定。 工作原理：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 控制过程：由57步进驱动器驱动步进电机转动。主要采用THB7128芯片，THB7128步进电机驱动器是一款专业的两相步进电机驱动，可实现正反转控制。通过S4 S5 S6 3位拨码开关选择8档细分控制(1、2、4、8、16、32、64、128 )，通过S1 S2 S3 3位拨码开关选择6档电流控制（0.5A，1A，1.5A，2.0A，2.5A，3.0A）。适合驱动57，42,39,35,28型两相、四相混合式步进电机。驱动器有噪音小，震动小，运行平稳的特点。其中，步进电机和驱动器有两种连接方式（共阴连接和共阳连接）。本项目采用共阳接法，如下图：

图2.1步进电机共阳接法线路

通过对其相应引脚的控制达到对步进电机的正反转及调速：

PUL+：脉冲信号输入正。PUL-：脉冲信号输入负。DIR+：电机正、反转控制正。DIR-：电机正、反转控制负。EN+：电机脱机控制正。EN-：电机脱机控制负。

3、舵机的控制

MG995是通过PWM信号，利用占空比的变化来改变舵机位置的执行元件；适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其主要有特点有：力矩大、控制简单、廉价等。 其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。如下图：

控制过程：在整个舵机控制过程中，根据其舵机控制原理图进行调试就可以实现对其正反转控制。在这个过程中，首先要完成两个任务：一是PWM周期信号的产生（周期信号20ms）。二是对脉宽的调整，即占空比的调整。该设计以单片机为控制核心，主要采用定时器/中断系统进行控制，这样使其整个控制系统精确、稳定。

4、语音控制系统

由LD3320 ASR非特定语音识别芯片组成的语音识别系统，通过对非特定用户语音的识别，从而实现轻松的语音控制。语音识别芯片完成的工作原理：把通过MIC 输入的声音进行频谱分析→提取语音特征→和关键词语列表中的关键词语进行对比匹配→找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。如下图：

语音指令频谱分析提取特征语音识别器执行语音指令对比关键词语列表得出结果（拼音串）拼音串编写器MCU 图4.1语音芯片的工作原理

控制过程：通过事先对LD3320 ASR非特定语音识别芯片设置，完成以下过程：当用户讲“准备”，并开始模式识别、匹配，芯片识别到后，串口将会返回一个数值（设定值）。主控IAP15F2K61S2芯片利用串口接收到“设定值”后，将设定值作进一步处理，从而控制步进减速电机和舵机实现相应的动作（前进、后退等）。

5、综合调试

最后，在各个模块都正常工作的同时，将其进行整体的融合。用户说出语音指令时，系统能较好地进行识别。如果是正确的语音指令，系统将执行该条语音指令，完成任务。列如：当用户说“前进”时，系统将会驱动家庭服务机器人的步进电机，保持“前进”动作，等待用户下一条语音指令。

6、结语

通过语音控制家庭服务机器人完成指定动作（前进、后退、停止等）。机器人在自行启动完成指定动作后，可以执行简单的家庭服务动作（端水杯、盘子）。本设计主要以IAP15F2K61S2芯片为主控核心，通过对非特定用户语音的识别，实现智能控制。在实际的生活中，能够成为老人、残疾人等的得力助手。也可以在各个领域广泛应用，将人类的生活进一步智能化。

参考文献:

[1]李全利.单片机原理及接口技术[M].高等教育出版社.2009: 163-218 [2]艾山.智能机器人结构设计及控制研究[D].哈尔滨工程大学.2013:26-32 [3]李瑞峰.移动式作业型智能机器人的研制[J].机器人技术与应用.2003 [4]王志新.罗文广.电机控制技术[M].机械工业出版社.2011:34-116

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