具有語音識別和跟蹤功能的玩具機器人控制系統設計

黃賢

摘 要：設計一種具有語音識別和自動跟蹤語音功能的玩具機器人，采用凌陽十六位單片機SPCE061A作為主控芯片，外接麥克，通過外圍電路采集聲音信號實現語音識別和語音定位，在語音命令識別成功之后控制玩具機器人做相應的動作。該控制系統功能完備，能夠滿足玩具機器人系統的控制要求。

關鍵詞：玩具機器人 語音識別 語音定位

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0082-02

隨著人們物質文化生活水平的提高，人們的消費水平越來越高。目前兒童玩具特別是智能玩具擁有一個很大的市場。智能玩具不僅能夠滿足兒童的好奇心、加強孩子和玩具的互動，而且可以激發兒童的求知欲[1]。智能玩具將計算機、電子、通訊等領域內的先進技術融合為一體，突破了傳統玩具的局限性，賦予玩具“聽”“說”功能，與人進行互動，寓知于樂，可使兒童在愉悅中學習、體會生活，真正達到寓教于樂的目的[2，3]。

1 總體設計方案

采用凌陽十六位單片機SPCE061A作為主控芯片，外接麥克到SPCE061A的聲音輸入模數轉換通道，由單片機實現語音識別和聲音定位，再利用SPCE061A的IO端口控制三級管的導通和關斷，進而控制機器人的腿部、頭部和飛碟電機，實現對機器人的動作控制，系統整體設計方案如圖1所示。

語音識別語音信號輸入：語音信號由該模塊進入單片機后進行語音識別處理。聲音定位信號輸入：聲音定位的語音信號經過轉化，將模擬的聲音信號轉換為數字的高低電平，由I/O端口輸入到SPCE061A。鍵盤輸入控制：用于選擇語音識別和聲音定位模塊，在語音識別模塊下用于重新訓練語音控制命令的按鍵。設有3個按鍵：KEY1-上電復位后用于選擇語音識別模塊；KEY2-上電復位后用于選擇聲音定位模塊；KEY3-運行語音識別模塊中用于選擇重新訓練語音控制命令。機器人控制：SPCE061A通過基本I/O口控制機器人的前進、后退、左轉、右轉和發射等。語音播放：在語音識別和聲音定位中加入了語音播放，用來提示說話者訓練語音控制命令、辨識后的應答和定位后的播放音源方位等。

2 系統模塊設計

2.1 語音識別

該設計采用特定人識別方式，即語音樣板由單個人訓練，對訓練人的語音命令識別準確率較高，而其他人的語音命令識別準確率較低或不識別[4]。識別電路如圖2所示，麥克選用駐極體電容話筒，話筒的偏壓由SPCE061A的VMIC管腳提供。

2.2 聲音定位

由3個麥克組成聲音定位的前端信號接收電路，3個麥克擺放成7 cm的等邊三角形接收聲音信號，每路麥克都經過相同的放大和整形將模擬的聲音信號轉化為數字高低電平輸入到SPCE061A，在SPCE061A內識別三路麥克輸入信號的相位差值，通過計算獲取音源所在的方位。圖3為單個聲音信號接收及調理電路，圖中R1、Q1形成一個恒流源，為麥克供應電流，U1A、C1、R2、R3形成一個放大電路，其中C1濾掉信號中的低頻部分，R2/R3/U1A構成一個負反饋放大回路；C2、R4、R5、U1B形成一個過零比較電路。

2.3 機器人的電機驅動及控制電路

當單片機成功識別語音指令后，將對機器人的腿部、頭部和飛碟發射裝置進行運動控制，主要是通過IO口的輸出實現對相應電機的控制。

2.3.1 腿部電機控制

圖4為機器人的左腿電機M1的驅動電路，該驅動電路采用4個三極管Q1-Q4作為驅動，提升流過電機的電流，2個三極管Q5-Q6控制電機正反轉。電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB13和IOB14，只需要給IOB13高電平就可以控制其正轉，左腿前進；給IOB14高電平就可以控制電機反轉，左腿后退。

右腿的電機驅動和控制電路與左腿的完全相同，其電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB11和IOB12，只需要給IOB12高電平就可以控制其正轉，右腿前進；給IOB11高電平就可以控制電機反轉，右腿后退。

2.3.2 頭部電機控制

用于頭部轉動的電機驅動控制電路和左右腿的相同，其電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB9和IOB10，只需要給IOB9高電平就可以控制電機正轉，頭部轉向左方；給IOB10高電平就可以控制電機反轉，頭部轉向右方。

2.3.3 發射飛碟電機控制

為增加玩具機器人的趣味性和互動性，設計中增加了機器人發射飛碟的功能。采用兩個直流電機進行控制，由SPCE061A的IOB8和IOB15控制電機M4和M5，分別控制帶動裝置和加速裝置，其中帶動彈簧裝置彈出飛碟，加速裝置帶動飛碟發射出來，驅動控制電路如圖5所示。

3 結語

基于SPCE061A單片機開發的玩具機器人控制系統，由3個麥克擺放成邊長為7 cm的等邊三角形，采集聲音信號并進行語音識別，根據識別的語音實現對機器人的動作控制。系統采用模塊化設計方案，既能實現智能控制，又增加了互動性，達到了玩具機器人寓教于樂的效果。

參考文獻

[1] 渠川鈺，劉修泉.基于STC89C52單片機的斗牛玩具機器人研制[J].機電工程技術，2011，40（7）：36-38.

[2] 楊宜民，李瑩.智能玩具研發動態及思考[J].廣東工業大學學報，2004，21（3）：34-39.

[3] 馮勁梅，王慶明.采用單片機的直流電機無線遙控系統[J].機電工程，2010（12）：7-10.

[4] 張培堅.十六位單片微處理器原理及應用（凌陽SPCE061A）[M].北京：清華大學出版社，2005.