基于“香蕉派”的語(yǔ)音交互式機(jī)器人

摘 要 本文介紹了一款基于“香蕉派”全語(yǔ)音交互式的智能機(jī)器人，它能根據(jù)人的語(yǔ)言自動(dòng)識(shí)別“行走”命令或“聊天”內(nèi)容，并自主行走或與人智能交流。它以Banana PI開(kāi)源硬件平臺(tái)作為控制服務(wù)器，通過(guò)訊飛平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別和GPIO接口控制外置驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互式行走等基本功能。實(shí)驗(yàn)證明該機(jī)器人能夠準(zhǔn)確接收指令并做出反應(yīng)，可靠性較高。并且無(wú)任何外設(shè)，使用方便。

【關(guān)鍵詞】香蕉派 行走機(jī)器人 語(yǔ)音交互 Banana Pi

“香蕉派”（Banana Pi，簡(jiǎn)寫(xiě)為BPI），與“樹(shù)莓派”類(lèi)似，但是硬件配置更高、性能更強(qiáng)，對(duì)安卓（Android）系統(tǒng)的支持更好。其中，“樹(shù)莓派”（Raspberry Pi，簡(jiǎn)寫(xiě)為RPi/RasPi/RPI）是一款基于A(yíng)RM的微型電腦主板，只有信用卡大小，其系統(tǒng)基于Linux。它以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周?chē)卸鄠€(gè)USB接口和以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和網(wǎng)線(xiàn)，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。

1 機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本款機(jī)器人的特點(diǎn)：

（1）零設(shè)置、零輔助，不需要遙控器、手機(jī)等任何輔助設(shè)備，完全根據(jù)語(yǔ)音命令智能響應(yīng)；

（2）智能化的人機(jī)聊天，隨著技術(shù)的發(fā)展即時(shí)提升智能化水平。

硬件可基于“樹(shù)莓派”微型電腦主板，采用3代B型，安裝Linux系統(tǒng)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行相應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)。也可以基于“香蕉派”微型電腦主板，采用BPI-M3型號(hào)，安裝Android系統(tǒng)，相應(yīng)軟件開(kāi)發(fā)使用與Java相似度很高的Android開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。以“香蕉派”為例，描述本機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)分兩步進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境的搭建，首先是搭建“香蕉派”核心處理系統(tǒng)。其是一個(gè)袖珍的主板卡，但是“麻雀雖小，五臟俱全”，除去“香蕉派”主板外，還需準(zhǔn)備一套標(biāo)準(zhǔn)通用的USB鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，一個(gè)顯示器用于開(kāi)發(fā)調(diào)試（開(kāi)發(fā)完成后可以拆除）。兩塊電池用于整個(gè)系統(tǒng)供電，最后還需要準(zhǔn)備預(yù)裝了安卓系統(tǒng)的SD卡（對(duì)于SD卡要求讀寫(xiě)最好在4MB/S以上、容量大于2GB）。

在完成核心處理系統(tǒng)的搭建后，再進(jìn)行機(jī)器人外圍系統(tǒng)的搭建，首先利用訊飛平臺(tái)完成對(duì)機(jī)器人的“行走控制”或“聊天命令”的語(yǔ)音識(shí)別，然后利用“香蕉派”的GPIO接口，控制外置驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的使能、正反轉(zhuǎn)控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

2.1 “香蕉派”系統(tǒng)板

“香蕉派”BPI-M3是一款8核高性能單板計(jì)算機(jī)，兼容“樹(shù)莓派”，還可以運(yùn)行Android5.1、Debian linux、Ubuntu linux、Raspberry Pi系統(tǒng)。硬件配置為：1GHz ARM7 8核處理器，2GB LP DDR3內(nèi)存，千兆以太網(wǎng)口，2個(gè)USB接口，支持2K高清視頻輸出。GPIO兼容Raspberry Pi B+，并能運(yùn)行其ROM Image。開(kāi)發(fā)板的正反面如圖2所示。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

本模塊使用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其實(shí)物如圖3所示，其中：

2.2.1 +12V接入口

電壓范圍：+5V～+35V，使用航模電池供電。

2.2.2 電機(jī)接口

OUT1、OUT2為電機(jī)A輸出；OUT3、OUT4為電機(jī)B輸出。

2.2.3 IO接口

ENA和ENB分別為A、B電機(jī)的使能端，一開(kāi)始ENA和ENB各自的上下兩個(gè)針腳是用跳線(xiàn)帽連接起來(lái)的，拔掉就可以接線(xiàn)了。IN1～I(xiàn)N4為IO控制輸入，與樹(shù)莓派的GPIO接口相連接。

2.3 系統(tǒng)板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)板連接

通過(guò)“香蕉派”的GPIO接口，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向及速度，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退、變向。把電機(jī)接到L298N驅(qū)動(dòng)板上面，然后把電池的正極接到12v接口，負(fù)極接到接地接口，5V輸入從香蕉派的GPIO2接入。IN1、IN2、IN3、IN4分別接“香蕉派”GPIO的11、12、13、15號(hào)接口。如圖4所示。

2.4 移動(dòng)平臺(tái)

本機(jī)器人使用奧松AS-2WD鋁合金移動(dòng)平臺(tái)，它是2輪驅(qū)動(dòng)，可安裝多款直流電機(jī)與伺服舵機(jī)，并且可以搭載多款控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和無(wú)線(xiàn)射頻模塊等。其外形如圖5所示。

2.5 電池與其它附件

電池供電使用兩種：一是10000mAH的充電寶，為“香蕉派”核心處理板供電；二是“格氏ACE 3S 11.1V 2200mAh 30C”無(wú)人機(jī)航模電池，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電?！跋憬杜伞眱?nèi)置麥克，不需要外接，但是無(wú)內(nèi)置喇叭，所以，通過(guò)音頻輸出口外接一個(gè)綠色球形音箱。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩類(lèi)，分別為實(shí)現(xiàn)流程框圖如圖6所示。

3.1 語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě)

3.2 語(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別即語(yǔ)法識(shí)別，主要指基于命令詞的識(shí)別，識(shí)別指定關(guān)鍵詞組合的詞匯，或者固定說(shuō)法的短句。語(yǔ)法識(shí)別分云端識(shí)別和本地識(shí)別，云端和本地分別采用ABNF和BNF語(yǔ)法格式。本機(jī)器人使用了云端識(shí)別，實(shí)現(xiàn)方法如下。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)各硬件模塊組裝及調(diào)試，本款機(jī)器人完成后的外觀(guān)如圖7所示。

經(jīng)實(shí)際使用后，得出本款機(jī)器人的智能化程度較高，基礎(chǔ)功能已經(jīng)比較完善。但依然存在諸多問(wèn)題，系統(tǒng)多方面有待優(yōu)化升級(jí)。

其中，由于香蕉派內(nèi)置麥克拾音效果較差，影響了語(yǔ)音識(shí)別的質(zhì)量，可選擇外帶設(shè)備提升性能；另外，限于時(shí)間原因，后續(xù)還需增加紅外避障和自動(dòng)跟隨功能，紅外避障，就是能夠根據(jù)語(yǔ)音指令，自主完成避障行走。自動(dòng)跟隨，就是在語(yǔ)音設(shè)定好跟隨模式后，可智能跟隨在人身邊，亦步亦趨?；谟布娐穲D像處理的視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，高智能情感移動(dòng)機(jī)器人等技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介

劉潤(rùn)暄（2001-），男，山東省濟(jì)南市槐蔭區(qū)人。山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)2016級(jí)。

作者單位

山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東省濟(jì)南市 250001