基于LM3S811的聲控輪式機器人的研究與設計*

王文蓉

（廣州科技貿易職業學院，廣東廣州 511442）

0 引言

隨著機器人技術和語音識別技術的飛速發展，其應用已經深入到了軍事、工業生產和民用領域，而語音控制的小型輪式機器人更是因為具有體積小、成本低、機動性能強等優點而被廣泛應用[1-2]。

本論文以LM3S811芯片為核心，設計了一款聲控輪式機器人。語音模塊采用LD3320，經特定的麥克風處理后，通過AD轉換，將數字信號發送給控制芯片處理，處理后的信號會根據不同的，語音命令轉換為對應的數字信號傳輸到LM3S811中，從而改變PWM的占空比[3-4]，不同的占空比對應輪式機器人的不同運行動作，從而達到對輪式機器人的運行操作。

1 系統設計

本系統采用CortexM3系列的LM3S811芯片作為主控芯片，主要由語音識別模塊、直流電機驅動模塊、直流電機和紅外傳感器模塊組成。其工作原理是：麥克風接受語音信號，由語音芯片處理后經AD轉換，傳送給主控芯片，由主控芯片根據不同的語音信號識別，從而能改變PWM信號的輸出占 空比，不同的占空比會輸出不同的信號控制電機實現不同動作的操作實現，由此設計完成一款語音控制的輪式機器人設計[5，8]。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2 系統硬件設計

根據系統硬件框圖，硬件設計主要從主控芯片的控制系統、語音識別模塊和電機驅動控制模塊進行闡述。

2.1 主控芯片的控制系統

本設計的主控芯片控制系統采用CortexM3系列LM3S811。其最小系統還包含時鐘電路和復位電路。主控芯片主要為系統提供片上的ADC模塊以及PWM模塊。片上的ADC模塊解決語音信號的AD轉換，語音信號通過語音模塊采集后，由于系統自帶有16位的ADC，因此，采集后的信號由ADC處理。而PWM模塊，主要是系統在對語音信號進行處理后，通過系統的主控芯片，會對系統輸出的PWM信號進行處理，輸出不同占空比的PWM信號來驅動電機轉動，不同的PWM信號，經由L298N驅動器，驅動電機做出不同的運動，協調處理完成輪式機器人的正常運轉。該主控芯片的PWM信號有6路，精度高。

2.2 語音模塊

語音模塊采用LD3320芯片，它是一款基于非特定人語音識別技術的語音芯片，具體強大的功能，可以一個系統支持多種場景，而且識別句子內容時還可以動態編輯修改，同時，它不需要外接任何的輔助芯片，即可實現語音識別、人機對話和聲控等操作。其與系統主控芯片的接法原理圖如圖2所示。

圖2 語音模塊圖

2.3 電機控制模塊

直流電機控制模塊由L298N芯片構成，主控芯片內部PWM模塊生成不同占空比的PWM波驅動直流電機，控制其調速和調整方向。整個模塊抗干擾能力強、設計工程中，設計了過電壓和過電流保護功能、主控系統中共有6路PWM輸出，精度高，對速度和方向的控制到位。

3 系統軟件設計

軟件系統整體框圖如圖3所示。

圖3 系統軟件整體框圖

其中主要包含初始化函數、中斷模塊、主函數，通過軟件設計框圖，可以看出，其中最重要的部分就是中斷模塊部分。PWM模塊改變小車行動、定時中斷改變PWM的占空比等等都由此部分完成。在LMS3811中，中斷主要由通用計時器（TIMER）和GPIO口發出。執行中斷函數，改變PWM的占空比，從而改變小車的行為。中斷函數的軟件流程圖如圖4所示。

4 測試

系統的測試主要從通過語音的變化來直接，測試反映在輪式機器人在前進、后退、左轉以及右運動的情況，準確度是否準確，處理速度是否達到要求。經過測試，各個模塊運轉順利，每個動作都能按要求完成。設計達到預期目標，根據測評可以得出L298N直流電機驅動器驅動電機轉動方向的特性以及運用PWM控制其模塊運作的特性如表1所示。

圖4 中斷軟件框圖

表1 PWM控制模塊運作特性表

根據實驗的要求，在檢測語音識別實測效果時，選擇了4個不同音色，分別兩男兩女的試驗對象，在相同的試驗環境下，進行了相關測試，測試的命令次數為20次，經過測試，非特定人的語音命令測試的正確率超過95%。

5 結論

經過硬件和軟件設計，完成了一款聲控輪式機器人的設計，經過測試，可以得到以下兩個結論：

（1）主控芯片輸出的PWM信號對占空比的控制是非常精確的，對輪式機器人的運行控制是非常精準的；

（2）經本系統的最后測評，該系統的語音識別模塊對非特定人的語音識別效率搞，準確率均達到了95%以上，由于測試環境下的微小嘈雜噪聲，誤差是在容許范圍之內的，較好地完成了本系統的設計。

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