基于安卓語音識別的無人機控制系統

應捷　韓旭

摘要摘要：為了使四旋翼無人機更加智能，控制更加簡便，需設計新的控制方式。語音識別技術發展日趨成熟，在信息處理和自動化等領域應用相當廣泛。通過在Android設備上傳入語音命令操控四旋翼無人機，調整飛行姿態、速度、方向，解放了人的雙手，實現了語音控制無人機飛行。不同環境下的測試結果表明，該系統功能良好。

關鍵詞關鍵詞：四旋翼無人機；Android；語音控制；語音識別技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.162849

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005005403

0引言

無人機是一種機內無人駕駛的飛行器，具有動力裝置和傳感器等模塊，在一定范圍內靠無線電遙控設備或由內置程序自主控制飛行，自出現以來就受到發燒友的熱烈追捧，相關研究進展迅速[1]。Android設備在移動終端市場占有率較高，為使無人機控制方式更加簡便、智能化，本文在Android平臺設計了語音控制四旋翼無人機系統。

1系統總體設計

通過語音識別控制無人機的設計由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其硬件結構由動力部分、姿態感知、控制部分、WiFi模塊、氣壓感知裝置5大部分組成[2]；軟件部分基于萬維網聯盟的語音識別語法規范1.0標準（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式的文檔完成語音識別，識別結果經軟件處理，匹配生成相應的控制指令，通過手機WiFi功能發送到無人機端。無人機端通過TICC3200 WiFi模塊接收控制命令，在STM32F3的控制下驅動電機完成用戶的相應命令?？刂破鞲鶕刂泼钜约坝蓚鞲衅鹘M感知的無人機實時狀態數據（飛行姿態、高度、方向等），經過姿態融合算法和控制算法運算后調節電機轉速，從而實現按照人的語音控制命令來控制無人機[36]。圖1為系統設計原理。

2硬件設計

2.1飛控硬件模塊

本設計選用市場上常用的F450四軸機架作無人機機架，選用SP Racing F3 飛控板作無人機控制器，負責檢測無人機姿態和加速度，控制無人機各項電機的轉速，從而控制無人機姿態和運動方向、控制WiFi模塊（或GSM模塊或藍牙模塊）進行通信工作。SP Racing F3 飛控板以STM32F3處理器為核心，集成氣壓計、陀螺儀、加速度計、地磁計，可加GPS、LED燈帶、聲納等配件，使定高、定點、翻滾等飛行姿態的開發工作變得十分簡便[34]。圖2為飛控主控制器系統電路。

2.2無線傳輸模塊

無人機通信模塊可選擇WiFi模塊、GSM模塊和藍牙模塊作為通信模塊，與Android終端通信。GSM模塊通信范圍廣，不管Android設備在哪都能進行遠程控制；如果要異地控制，可選用GSM模塊，但通信速率偏低；藍牙模塊成本低，功耗低，但通信范圍有限，不適合本使用場景；考慮到傳輸視頻圖像數據吞吐量大，且幾百米通信范圍要足夠使用，而WiFi模塊通信速率高，所以選用WiFi模塊。本系統采用TI CC3300WiFi模塊，此模塊功耗極低，尺寸超小，高速UART波特率可達到3M bps。

2.3語音識別端

語音識別方案有很多，如LE3320模塊、ISD系列芯片以及PM系列芯片，雖然都具有語音識別功能，但是使用較繁瑣，除此之外PC和手機端的Microsoft系統集成語音識別功能雖然也可應用于本系統，但調試后發現效果不佳。相比之下安卓手機作為語音識別硬件，使用更方便，開源資料更豐富，識別效果更好，省去了繁瑣的語音訓練過程，更加符合本系統設計。圖3為硬件設計框架。

3軟件設計

語音控制系統算法如DTW、HMM等都很成熟，主要采用單片機或DSP加上語音識別算法實現語音控制，這種控制方式通過內部算法簡化了外部電路，同時語音識別精度也較高。但要求處理器具有較強的運算分析能力，而且需要足夠大的外擴存儲空間。

本系統軟件設計由兩部分組成，分別是STM32處理器程序和Android應用程序。STM32處理器程序是在Keil IDE開發環境下用C語言編寫，運行在STM32主控制芯片中。STM32處理器代碼還包括控制器與外設通信的代碼編寫。Android應用程序在eclipse+ADT環境下用JAVA語言開發，編譯生成的APK文件運行在安卓手機平臺[56]。

Android手機由WiFi模塊實現和無人機通信并對其控制。首先，Android應用程序向無人機發送配對請求及配對密碼，STM32通過WiFi收到配對請求并判斷密碼與預設值相同后，STM32對此請求應答，Android應用程序收到應答后停止發送配對請求，至此配對過程結束。配對完成后，STM32周期性地將無人機傳感器的實時數據發送給Android應用程序，Android應用程序監測WiFi信號并接收實時數據，根據這些數據更新應用程序顯示無人機狀態。應用程序監測WiFi信號的同時監測語音信號，若識別出語音控制命令（包括開啟、關閉、前進、后退、向左飛行、向右飛行、升高、下降），立即將控制命令發送至無人機。STM32收到控制命令后即根據控制命令做出相應動作。

3.1SRGS1.0規范

SRGS1.0規范等同于某些編程語言的正則表達式，它定義了一個句子的集合。解碼器將根據文法生成的集合，對語音輸入的句子進行兩個部分的搜索，分別是文檔的頭部和文檔正文，文檔頭部必須出現在開頭部分，指定文檔版本號，與編譯工具對應[7]。一個典型的頭部示例如下：

#ABNF 1.0 UTF-8

Mode SMS；Meta；

#include；Mount “name”；

Root main；

#ABNF HEAD-END

3.2Android端應用程序設計

Android應用程序中監聽語音命令方案：編寫基于萬維網聯盟的語音識別語法規范1.0標準（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式文檔，經編譯工具處理生成匹配網絡。網絡作為匹配引擎輸入，可由匹配引擎對用戶語音輸入進行匹配，啟動手機內置WiFi與外部WiFi模塊連接實現通信[8]。下面是安卓端語音轉換成指令的部分程序：

ArrayList results = data.getStringArrayListExtra（RecognizerIntent.EXTRA_RESULTS）； for（int i=0；i<1；i++）{

strRet +=results.get（i）；

if（strRet.length（）>0） {

if（strRet.equals（"向前"））{

strRet="1"；

}

3.3STM32處理器端程序設計

無人機端程序一方面將飛控搭載的傳感器模塊數據發送給安卓手機端，另一方面通過TICC3300模塊接收安卓平臺匹配后發來的飛行控制指令，將指令轉化為PWM定時器，生成飛控可識別的控制指令，發送給飛行器執行模塊，執行偏轉舵面或改變螺旋槳轉速或改變槳距，達到預期的飛行狀態。程序運行中還包括各個模塊的初始化及通信[910]。下面是STM32PWM控制舵機的部分程序：

Void IO_int（VOID）

{

RCC->APB2ENR|=1<<0；

RCC->APB2ENR|=1<<2；

RCC->APB2ENR|=1<<3；

GPIOC->CRL=0X88888888；

GPIO->CRH=0X33333333；

GPIOC->ODR=OXFFFF；

}

4實驗結果

隨機分配3人在同一天的不同時間點進行室外試飛，對無人機進行語音控制，在不同環境下測試控制精度，得到數據如表1、表2所示（表中0表示起，1表示降，2表示向左，3表示向右，4表示懸停）。

在相對嘈雜建筑物密集的市區會影響到WiFi信號的傳輸以及語音信號的接收。由于WiFi信號主要采用微波頻段，微波在遇到障礙物時穿透力不強，因此會影響語音信號的傳輸，嘈雜的室外環境也會影響語音輸入的精度。測試結果顯示成功率達到84%，圖4為實物。

5結語

目前，絕大部分無人機采用手動操作遙控方式，購買無人機時還要另購一個航模遙控器（價格幾百元不

等），本文采用基于Android設備的語音控制方式大大簡化了操作，只需用語言傳達操控命令，通過手機端直接與無人機交互，節省了成本，使得無人機更加智能。

圖4四旋翼無人機

嵌入式語音控制系統主要采用內嵌語音芯片方案，即在處理器外圍電路焊接語音芯片，語音芯片采集語音數據，經處理器讀取和分析后得到相關信息，開發難度高、工作繁瑣。本文利用基于Android設備的語音識別技術去控制系統，大大簡化了開發過程，省去了嵌入式很多不必要的重復性工作。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：杜能鋼）