語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制匹配技術(shù)的開發(fā)研究

夏嵩勇，王漢斯，董奇奇（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制匹配技術(shù)的開發(fā)研究

夏嵩勇，王漢斯，董奇奇
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：文章提出一種語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制匹配技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)框架，包括語(yǔ)音識(shí)別后的信號(hào)處理及汽車空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)。在車載環(huán)境下，利用語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)駕駛?cè)藛T意圖進(jìn)行識(shí)別，然后輸出給空調(diào)控制系統(tǒng)。空調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)空調(diào)各模式進(jìn)行自動(dòng)控制，以達(dá)到語(yǔ)音控制的目標(biāo)并反饋給語(yǔ)音系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別；智能空調(diào)；智能控制；汽車空調(diào)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.020

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-50-03

引言

現(xiàn)在汽車上使用的電器越來(lái)越多，駕駛員需要手動(dòng)操作的電器開關(guān)也越來(lái)越多，不但增加了駕駛員的負(fù)擔(dān)，還影響了行車安全。當(dāng)前，普通空調(diào)控制均采用按鍵及旋鈕的控制方式，需要手動(dòng)對(duì)空調(diào)的設(shè)定溫度、模式等進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在著諸多的不便利性。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，目的就是將人類的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別信號(hào)的一種技術(shù)。目前，在涉及日常生活的各個(gè)方面如電信、金融、新聞、公共事業(yè)等各個(gè)行業(yè)逐漸成熟應(yīng)用。

在汽車上使用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行操作控制車用電器，能夠給使用者帶來(lái)極大的方便。尤其是在人的雙手被占用而無(wú)法操作時(shí)，語(yǔ)音操作尤為重要。現(xiàn)有語(yǔ)音技術(shù)主流是用于撥打/接聽電話、影音播放功能，很少有將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而語(yǔ)音控制空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行除霜、溫度調(diào)節(jié)等必將成為駕駛員駕駛時(shí)的良好幫手，成為智能控制空調(diào)系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

1、語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制的匹配的框架設(shè)計(jì)

1.1 語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

語(yǔ)音識(shí)別與空調(diào)系統(tǒng)的匹配研究目標(biāo)是讓駕駛員在啟動(dòng)語(yǔ)音的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)模式、出風(fēng)模式、A/C狀態(tài)、出風(fēng)溫度及不同溫區(qū)的溫度控制等。

1.2 語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制的匹配的框架

語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)控制匹配技術(shù)主要分為語(yǔ)音控制模塊、空調(diào)控制模塊與CAN網(wǎng)絡(luò)匹配模塊三部分。由語(yǔ)音識(shí)別模塊判斷駕駛員控制意圖，CAN網(wǎng)絡(luò)模塊將意圖傳遞到空調(diào)控制模塊并反饋信息。

如圖1所示，駕乘人員開啟語(yǔ)音控制系統(tǒng)，進(jìn)行服務(wù)空調(diào)控制器的服務(wù)需求，語(yǔ)音模塊對(duì)駕乘人員的語(yǔ)音操作進(jìn)行識(shí)別判斷，理解駕乘人員的空調(diào)控制意圖，后通過(guò)CAN玩過(guò)傳輸?shù)娇照{(diào)控制模塊。空調(diào)控制模塊取現(xiàn)有的的空調(diào)參數(shù)，通過(guò)計(jì)算分析后，進(jìn)行空調(diào)控制方面的調(diào)整后，并通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出給語(yǔ)音模塊。

2、語(yǔ)音控制模塊的設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別的簡(jiǎn)述

語(yǔ)音識(shí)別是指從語(yǔ)音到文本的轉(zhuǎn)換，即讓計(jì)算機(jī)能夠把人發(fā)出的有意義的話音變成書面語(yǔ)言。通俗地說(shuō)就是讓機(jī)器能夠聽懂人說(shuō)的話。所謂聽懂，有兩層意思，一是指把用戶所說(shuō)的話逐詞逐句轉(zhuǎn)換成文本；二是指正確理解語(yǔ)音中所包含的要求，做出正確的應(yīng)答。

如圖2所示，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)首先經(jīng)過(guò)預(yù)處理（主要防混疊濾波、自動(dòng)增益控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換、消除噪聲、端點(diǎn)檢測(cè)等），然后進(jìn)行特征分析，再通過(guò)查詢標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)，即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的識(shí)別問(wèn)題。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別的方案

語(yǔ)音識(shí)別的方案主要有模糊匹配法與隨機(jī)模型法兩種方法。模板匹配法即在訓(xùn)練階段，用戶將詞匯表中的每一詞依次說(shuō)一遍，并且將其特征矢量作為模板存入模板庫(kù)。然后在識(shí)別階段，將輸入語(yǔ)音的特征矢量依次與模板庫(kù)中的每個(gè)模板進(jìn)行相似度比較，將相似度最高者作為識(shí)別結(jié)果輸出。隨機(jī)模型法即采用HMM模型，使用概率參數(shù)來(lái)進(jìn)行估計(jì)和判決。

語(yǔ)音控制模塊的物理布置方案如下，控制系統(tǒng)集成在車輛的MP5中，語(yǔ)音輸入模塊集成在車輛A柱中。

如圖3所示，按照句法層、字層、語(yǔ)音層及聲學(xué)層四層分別進(jìn)行逐步查詢識(shí)別。首先是句法層，每個(gè)句子由若干字構(gòu)成，每個(gè)字都選自于字庫(kù)；其次是字層，每個(gè)字由音子串接而成，需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)描述每一個(gè)字如何用音子串接的；然后是語(yǔ)音層，每個(gè)音子用一個(gè)HMM模型及其相應(yīng)的參數(shù)來(lái)描述（狀態(tài)及其狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移）；最后是聲學(xué)層，用來(lái)提取語(yǔ)音幀特征矢量。

對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)字，做一個(gè)碼本作為該字的參考（標(biāo)準(zhǔn)）模板,共有M個(gè)字，故共有M個(gè)碼本，組成一個(gè)模板庫(kù)。

如圖4所示識(shí)別時(shí)，對(duì)于任意輸入的語(yǔ)音特征矢量序列X＝{X1 , X2 , … , Xn}，計(jì)算該序列中每一個(gè)特征矢量對(duì)模板庫(kù)Y＝{Y1 , Y2 , … , Yn}中的每個(gè)碼本的總平均失真量誤差，找出最小的失真誤差對(duì)應(yīng)的碼本（代表一個(gè)字），將對(duì)應(yīng)的字輸出作為識(shí)別的結(jié)果，同時(shí)完成了語(yǔ)音的識(shí)別。

3、空調(diào)控制模塊的設(shè)計(jì)

3.1 汽車自動(dòng)空調(diào)的簡(jiǎn)述

語(yǔ)音識(shí)別與汽車空調(diào)的匹配技術(shù)需要應(yīng)用在自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)上，一般手動(dòng)空調(diào)無(wú)法接收語(yǔ)音的信號(hào)輸入與輸出。

自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)通常通過(guò)采集大氣環(huán)境溫度、駕駛室內(nèi)環(huán)境溫度、陽(yáng)光補(bǔ)償、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、車速、濕度及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)，再經(jīng)過(guò)空調(diào)控制器的數(shù)據(jù)分析及計(jì)算，控制各個(gè)風(fēng)門的開度得以控制駕駛室內(nèi)的溫度及出風(fēng)口風(fēng)量以達(dá)到最佳的舒適性要求。

3.2 空調(diào)控制方案

當(dāng)語(yǔ)音將駕駛員的操作意圖通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇照{(diào)控制模塊時(shí)，空調(diào)控制模塊讀取現(xiàn)有空調(diào)的狀態(tài)，分析判斷后向空調(diào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令，并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)反饋給語(yǔ)音控制模塊。

通過(guò)語(yǔ)音控制空調(diào)方案，基本可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的所有空調(diào)功能。舉例說(shuō)明，如圖5所示，當(dāng)駕駛員發(fā)出“溫度升高一點(diǎn)”的指令，語(yǔ)音系統(tǒng)將指令轉(zhuǎn)化為CAN網(wǎng)絡(luò)中X地址位的Y參數(shù)，并發(fā)送給空調(diào)控制模塊。空調(diào)控制模塊接收到此信號(hào)后，讀取現(xiàn)有空調(diào)溫度A℃，進(jìn)行處理，將（A+1）℃指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并反饋給語(yǔ)音模塊播報(bào)，同時(shí)在MP5上顯示空調(diào)當(dāng)前模式轉(zhuǎn)換。若是(A+1)℃>空調(diào)最高設(shè)定問(wèn)題，則播報(bào)空調(diào)設(shè)定達(dá)到最高溫度。

經(jīng)過(guò)對(duì)駕駛習(xí)慣的常用模式調(diào)節(jié)的調(diào)查，對(duì)語(yǔ)音控制雙溫區(qū)空調(diào)系統(tǒng)形成以下表1的控制形式，可以實(shí)現(xiàn)用戶智能的控制空調(diào)系統(tǒng)功能。

3.3 主要功能說(shuō)明

從當(dāng)前CAN總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)分析，擬將語(yǔ)音模塊依托MP5模塊搭載在車身CAN總線上實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別駕駛員的語(yǔ)音意圖對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，將其轉(zhuǎn)化為CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)依托MP5模塊發(fā)送給空調(diào)控制模塊。空調(diào)控制模塊對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷，判斷完成后，空調(diào)控制模塊直接控制各驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行空調(diào)的調(diào)節(jié)。

表1　CAN網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)表

4、結(jié)論

本文介紹了語(yǔ)音識(shí)別與空調(diào)控制系統(tǒng)匹配技術(shù)，對(duì)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)及空調(diào)控制方面進(jìn)行了介紹。語(yǔ)音識(shí)別與空調(diào)控制系統(tǒng)匹配技術(shù)的難點(diǎn)主要在于對(duì)駕駛員意圖的識(shí)別，語(yǔ)音的抗干擾能力，駕駛員常用空調(diào)模式的選擇及空調(diào)控制的策略方面。

參考文獻(xiàn)

[1] 邵學(xué)斌.基于語(yǔ)音識(shí)別的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(10):63.

[2] 張新豐.汽車語(yǔ)控智能電器系統(tǒng)[J].汽車工程,2007(07):601.

[3] 文頌.汽車雙溫區(qū)空調(diào)智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[C].東華大學(xué)碩士論文集,2013.

Research On Voice Recognition and Madching Technology Of Car Air Conditioning

Xia Songyong, Wang Hansi, Dong Qiqi
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:Speech recognition is presented in this paper and framework of auto air-conditioning control matching technology, including voice recognition and signal processing and after response of automotive air conditioning systems. In-vehicle environments that use voice recognition system to identify the driver intent, and then output for air-conditioning control system. Than air conditioning control system control air conditioning mode, in order to achieve target and feedback to the voice of the voice control system.

Keywords:Voice recognition; Intelligent air conditioning; Intelligent control; Car air condition

作者簡(jiǎn)介：夏嵩勇，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

中圖分類號(hào)：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-50-03