專利名稱：基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小車控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于語音控制的智能化自循跡小車 控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為20世紀(jì)的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會的生產(chǎn)、生活密不可分。智能小 車，也就是輪式機(jī)器人，主要有口令識別與語音合成、機(jī)器人自定位、動態(tài)隨機(jī)避障、多傳感 器信息融合、實時自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。但現(xiàn)有技術(shù)中的智能機(jī)器人，其循跡并沒有完全正確地采集和識別，易造成舵機(jī) 不能精確、及時的轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致模型車嚴(yán)重抖動甚至偏離賽道；且對語音識別控制不強(qiáng)，無法 準(zhǔn)確、及時的進(jìn)行智能識別；同時也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，運行不靈活等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提供了一種將紅外光電傳感器應(yīng)用于路徑識 別，同時具有語音控制功能的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的 紅外光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活，體積小，可實現(xiàn)非接觸采集和識別軌跡信息等優(yōu)點。本發(fā)明提供的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，包括SPCE061A單片 機(jī)、電源模塊、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊和語音識別控制模塊；所述光電傳感器用于采集 小車運行的道路信息，并將該信息輸入SPCE061A單片機(jī)；所述SPCE061A單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū) 動模塊控制小車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向和直流電機(jī)的速度；所述電源模塊向光電傳感器、SPCE061A單 片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊供電；所述語音識別控制模塊包括音頻輸入模塊和音頻輸出模塊，所 述音頻輸入模塊包括設(shè)在SPCE061A單片機(jī)上的MICP引腳端口和MICN引腳端口，所述MICP 引腳端口和MICN引腳端口把隨著麥克風(fēng)輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形在這兩個端口處形成 兩路反相的波形送到SPCE061A芯片內(nèi)部的第一級運算放大器進(jìn)行音頻放大，放大的語音 信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后輸入SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行處理；所述音頻輸出模塊采用SPY0030A芯片， 所述SPY0030A芯片上設(shè)有與播放設(shè)備外接的連接端口。進(jìn)一步，所述光電傳感器由多個發(fā)光二極管和接收二極管組成，一個發(fā)光二極管 與一個接收二極管對應(yīng)。再進(jìn)一步，所述光電傳感器采用紅外光電傳感器，設(shè)置與小車同步運行的單排多 個等間距排列的紅外光電傳感器，紅外光電傳感器間隔為1.5cm，離地高度為1cm，且紅外 光電傳感器與地面成一定的夾角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)具有如下 優(yōu)點
1、該控制系統(tǒng)采用光電傳感器進(jìn)行非接觸路徑的采集和識別，采集和識別的數(shù)據(jù)及 時、準(zhǔn)確，避免了轉(zhuǎn)向電機(jī)控制不當(dāng)而造成模型車嚴(yán)重抖動甚至偏離賽道的現(xiàn)象。2、該控制系統(tǒng)將SPCE061A單片機(jī)和語音識別控制模塊相結(jié)合，實現(xiàn)語音人機(jī)交
3互的智能化控制。3、該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可實現(xiàn)小車運行靈活，且運行可靠穩(wěn)定。4、該控制系統(tǒng)還可應(yīng)用于殘障人智能輪椅、服務(wù)機(jī)器人、無人駕駛機(jī)動車、無人生 產(chǎn)線、倉庫等領(lǐng)域。


圖1為智能小車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為電源模塊的結(jié)構(gòu)框圖3為TCRT5000內(nèi)部電路圖； 圖4為光電傳感器發(fā)光示意圖； 圖5為光電傳感器TCRT5000電路圖； 圖6為主程序流程圖； 圖7為語音識別流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖1、2所示，基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)包括SPCE061A單片 機(jī)、電源模塊、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊和語音識別控制模塊。光電傳感器用于采集小車 運行的道路信息，并將該信息輸入SPCE061A單片機(jī)。SPCE061A單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動模塊 控制小車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向和直流電機(jī)的速度。電源模塊向光電傳感器、SPCE061A單片機(jī)和電機(jī) 驅(qū)動模塊供電。語音識別控制模塊包括音頻輸入模塊和音頻輸出模塊，音頻輸入模塊包括 設(shè)在SPCE061A單片機(jī)上的MI CP弓|腳端口和MICN弓|腳端口，MI CP弓|腳端口和MICN弓|腳 端口把隨著麥克風(fēng)輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形在這兩個端口處形成兩路反相的波形送到 SPCE061A芯片內(nèi)部的第一級運算放大器進(jìn)行音頻放大，放大的語音信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后輸入 SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行處理；音頻輸出模塊采用SPY0030A芯片，所述SPY0030A芯片上設(shè)有 與播放設(shè)備外接的連接端口。SPCE061A單片機(jī)通過光電傳感器采集道路信息，根據(jù)算法分析得出此時的智能小 車與道路的偏離狀況，然后再據(jù)此采用一定的控制算法控制智能車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向和直流電機(jī) 的速度，從而實現(xiàn)智能車對路徑的自動識別與循跡。一、下面根據(jù)該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖(如圖1、2)，分別介紹各功能模塊 SPCE061A單片機(jī)
該控制系統(tǒng)采用高性能16位SPCE061A單片機(jī)作為控制核心。SPCE061A單片機(jī)采用 3. 3伏供電，最大工作速率49. 152MHZ，內(nèi)有32位通用可編程輸入/輸出端口，2K字SRAM， 32K FLASH, 7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，2個16位可 編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)，聲音模_數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放 大器和自動增益控制(AGC)功能，內(nèi)置在線仿真電路ICE (In-Circuit Emulator)接口，具 備串行設(shè)備接口，可編程音頻處理；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2. 4K位/秒)，能 容納210秒的語音數(shù)據(jù)?？紤]到智能小車自主循跡和語音識別功能，在設(shè)計和制作智能車的時候，選擇了其中的一部分作為輸入輸出端口。這里I0A 口的一部分作為傳感器的輸出信號的輸入端 口，一部分作為按鍵輸入；I0B 口 一部分驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動板的控制端口，其中APWM0和BPWM0 控制舵機(jī)。電源模塊
智能小車的總電源采用7. 2伏的鎳鉻電池供電。該控制系統(tǒng)選定SPY0029A (低壓差) 三端穩(wěn)壓芯片為3. 3V穩(wěn)壓芯片，輸出作為單片機(jī)及外圍電路電源；選定5V的LM2940(低壓 差)為穩(wěn)壓芯片，輸出作為傳感器電源；舵機(jī)和直流電機(jī)直接采用7. 2V電源供電。光電傳感器模塊
該控制系統(tǒng)的光電傳感器(即路徑識別電路)由一系列發(fā)光二極管、接收二極管組成， 一個發(fā)光二極管和一個接收二極管構(gòu)成一對，這也相等于攝像頭的一個像素。當(dāng)紅外線照 射到白色地面時會有較大的反射，如果光電對管與反射面的距離取值合適，紅外接收管接 收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大；如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會吸收大部 分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。這樣，利用紅外光電傳感器檢測智能小車 行駛道路上的黑色標(biāo)志線，就可以實現(xiàn)智能小車的自動循跡。本實施例中的光電傳感器采用TCRT5000型紅外光電傳感器，其內(nèi)部電路如圖3所
7J\ o本實施例中，設(shè)置與小車同步運行的單排共7個、且等間距排列的紅外光電傳感 器，傳感器間隔為1. 5cm，離地高度為1cm，紅外光電傳感器與地面成一定的夾角，以此來提 高前瞻性。如此設(shè)置是因為實際上紅外光電傳感器發(fā)出的紅外光是一些錐形的光線，而不 是一條直線，紅外光電傳感器的發(fā)光示意圖如圖4所示。經(jīng)測試證明紅外光電傳感器間隔 為1. 5cm，高度為1cm時，各紅外光電傳感器間沒有出現(xiàn)死區(qū)。而且也便于安裝，紅外光電傳 感器的數(shù)量和空間位置設(shè)置是合理的和可行的。光電傳感器要輸出高低兩種電平來表示白色路面和黑色導(dǎo)引線的區(qū)別。光電傳感 器輸出的模擬信號需要通過電壓比較器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的高低電平，再輸入SPCE061A單 片機(jī)進(jìn)行離散控制。本實施例設(shè)定的光電傳感器模塊在白色路面上輸出為低電平，檢測到 黑色導(dǎo)引線時輸出為高電平(如圖5)。電機(jī)驅(qū)動模塊對車體的控制
本實施例采用的智能循跡小車為四輪結(jié)構(gòu)，其中前面兩個車輪由前輪電機(jī)控制，在連 桿和支點作用下控制前輪左右擺動，來調(diào)節(jié)小車的前進(jìn)方向。在自然狀態(tài)下，前輪在彈簧作 用下保持中間位置。后面兩個車輪由后輪電機(jī)驅(qū)動，為整個小車提供動力。動力驅(qū)動由后輪驅(qū)動實現(xiàn)，負(fù)責(zé)小車直線方向的運動，包括前進(jìn)和后退。后輪驅(qū)動 電路是一個全橋驅(qū)動電路，這樣就可以通過單片機(jī)上的兩個10 口控制四個橋臂的導(dǎo)通與 關(guān)斷控制后輪電機(jī)的運行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)和后退。轉(zhuǎn)向電機(jī)由前輪驅(qū)動實現(xiàn)，包括左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，前輪驅(qū)動電路也是一個全橋驅(qū)動電 路，也可以通過兩個10 口控制前輪電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。若前 輪電機(jī)停轉(zhuǎn)，在彈簧作用下前輪被拉回到中間位置，保持直向。音頻輸入輸出模塊
本實施例充分利用凌陽SPCE061A單片機(jī)的可編程音頻處理功能和凌陽音頻壓縮 算法，從而調(diào)用和編寫應(yīng)用程序接口 API函數(shù)，達(dá)到語音識別控制的目的。為了完成這一功能，這部分需要在單片機(jī)外圍設(shè)計音頻輸入輸出模塊。音頻輸入模塊
MICP引腳端口和MICN引腳端口把隨著MIC產(chǎn)生的波形變化在這兩個引腳端口處形成 兩路反相的波形送到SPCE061A芯片內(nèi)部的第一級運算放大器進(jìn)行音頻放大，把放大的語 音信號交給ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個時候就可以通過單片機(jī)編程對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，比 如說進(jìn)行語音數(shù)據(jù)壓縮、語音識別樣本處理等。音頻輸出模塊
音頻輸出部分主要由一只8腳功率放大器SPY0030A組成。SPY0030A是凌陽公司開發(fā) 的專門用于語音信號放大的芯片，它的輸入端輸入的音頻電壓信號來自于單片機(jī)內(nèi)部DAC 的輸出端，它的輸出端可外接喇叭等播放設(shè)備。其增益大小可通過調(diào)節(jié)電阻的阻值實現(xiàn)。二、下面結(jié)構(gòu)主程序流程圖和語音識別流程圖對本實施例中優(yōu)選的主程序設(shè)計和 智能循跡小車語音控制的設(shè)計進(jìn)行介紹
主程序設(shè)計
在軟件設(shè)計方面，本實施例使用了集成開發(fā)環(huán)境u’nSP IDE2.0.0。它是一款C語言集 成開發(fā)環(huán)境，提供了一套有效的，靈活的軟件開發(fā)工具。它可以支持C以及匯編語言等。在 本系統(tǒng)的設(shè)計中，用到了兩個單片機(jī)基本功能模塊PWM輸出模塊、普通I / 0模塊等。根 據(jù)系統(tǒng)實際需求，對各個模塊進(jìn)行了初始化配置，實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。主程序流程圖如圖6 所示。智能循跡小車語音控制的設(shè)計
圖7是語音識別的流程圖。本設(shè)計為小車設(shè)計了兩個語音命令前進(jìn)和停車。當(dāng)為前 進(jìn)命令時，讓相應(yīng)的單片機(jī)的IOB 口輸出高電平，控制繼電器導(dǎo)通傳感器的供電電路；當(dāng)為 停車命令時，I0B[15:0]全部輸出0，關(guān)閉傳感器電源，控制小車停車。在“執(zhí)行相應(yīng)動作” 這一步，小車根據(jù)語音命令執(zhí)行動作，若為“前進(jìn)”命令，則在執(zhí)行動作后開啟8Hz的時基中 斷，進(jìn)入中斷后進(jìn)行路徑識別及車體控制，如圖6中進(jìn)入中斷后所示；若為停車命令，則進(jìn) 行停車，并等待下一個語音命令。這樣就可以將智能小車的語音控制和自動循跡兩個功能 緊密結(jié)合起來。將帶有該控制系統(tǒng)的自循跡小車放置于白底黑線的賽道上，小車能沿著黑線的路 徑自行調(diào)整方向和速度行駛，實現(xiàn)了小車的自循跡功能。在小車的運行過程中，經(jīng)過特定訓(xùn) 練人發(fā)出設(shè)計的命令“小車”，則小車回復(fù)“yeah”的語音，并停止動作；當(dāng)發(fā)出“前進(jìn)”命令 時，小車將開啟紅外光電傳感器并繼續(xù)自主循跡行駛。通過軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試結(jié)果表明，本 文設(shè)計的智能模型車能夠?qū)崿F(xiàn)自主循跡行駛，所設(shè)計的控制策略在不同路徑條件下可穩(wěn)定 行使，對語音命令識別準(zhǔn)確，執(zhí)行迅速。智能小車技術(shù)是一項具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，不僅在科學(xué)探測領(lǐng)域、還是在工 業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域；無論是在軍事上還是在我們的生活中，智能小車發(fā)揮著越來越重要的作用。本 發(fā)明在充分考慮智能小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于SPCE061A單片機(jī)的智能小車自 循跡控制系統(tǒng)，單片機(jī)對紅外光電傳感器檢測信號的處理為離散方式，研究了紅外傳感器 數(shù)量和空間位置布局對路徑識別的影響，確定了采用7個紅外傳感器等間距排列的方式進(jìn) 行路徑的識別。利用u’nSP IDE2. 0.0集成開發(fā)環(huán)境，根據(jù)設(shè)計的控制系統(tǒng)流程圖，對控制 策略進(jìn)行了編程。利用SPCE061A單片機(jī)的語音處理功能，編寫語音處理API函數(shù)，實現(xiàn)可
6以根據(jù)語音命令開始自主循跡和停車的功能。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，其特征在于包括SPCE061A單片機(jī)、電源模塊、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動模塊和語音識別控制模塊；所述光電傳感器用于采集小車運行的道路信息，并將該信息輸入SPCE061A單片機(jī)；所述SPCE061A單片機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制小車的舵機(jī)轉(zhuǎn)向和直流電機(jī)的速度；所述電源模塊向光電傳感器、SPCE061A單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動模塊供電；所述語音識別控制模塊包括音頻輸入模塊和音頻輸出模塊，所述音頻輸入模塊包括設(shè)在SPCE061A單片機(jī)上的MICP引腳端口和MICN引腳端口，所述MICP引腳端口和MICN引腳端口把隨著麥克風(fēng)輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形在這兩個端口處形成兩路反相的波形送到SPCE061A芯片內(nèi)部的第一級運算放大器進(jìn)行音頻放大，放大的語音信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后輸入SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行處理；所述音頻輸出模塊采用SPY0030A芯片，所述SPY0030A芯片上設(shè)有與播放設(shè)備外接的連接端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，其特征在于 所述光電傳感器由多個發(fā)光二極管和接收二極管組成，一個發(fā)光二極管與一個接收二極管 對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，其特征在于 所述光電傳感器采用紅外光電傳感器，設(shè)置與小車同步運行的單排多個等間距排列的紅外 光電傳感器，紅外光電傳感器間隔為1.5cm，離地高度為1cm，且紅外光電傳感器與地面成一定的夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項權(quán)利要求所述的基于語音控制的智能化自循跡小車控 制系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊采用7. 2伏的鎳鉻電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，其特征在于 所述鎳鉻電池通過SPY0029A三端穩(wěn)壓芯片向SPCE061A單片機(jī)及外圍電路電源供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，其特征在于 所述鎳鉻電池通過5V的LM2940穩(wěn)壓芯片向光電傳感器供電。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于語音控制的智能化自循跡小車控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)將基于光電傳感器和語音識別技術(shù)相結(jié)合，采用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為系統(tǒng)控制處理器，以反射式紅外光電傳感器獲取路徑信息，根據(jù)路徑信息中黑線的位置來調(diào)整小車的運動方向及速度，從而實現(xiàn)自循跡功能，而且結(jié)合SPCE061A片內(nèi)資源，編寫了語音處理API函數(shù)，實現(xiàn)語音人機(jī)交互的智能化控制；該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可實現(xiàn)小車運行靈活，且運行可靠穩(wěn)定；該控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于殘障人智能輪椅、服務(wù)機(jī)器人、無人駕駛機(jī)動車、無人生產(chǎn)線、倉庫等領(lǐng)域。
文檔編號G05B19/418GK101976075SQ201010557309
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者李新科 申請人:重慶大學(xué)