基于Arduino UNO無線語音識(shí)別智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊鈺林　權(quán)偉　趙濤

摘要：本設(shè)計(jì)采用Arduino UNO控制器作為檢測(cè)和控制核心，配合凌陽SPCE061A單片機(jī)的語音識(shí)別技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代語音合成技術(shù)，通過RB無線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)信息傳輸，語音控制機(jī)器人進(jìn)行可變速前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、測(cè)距播報(bào)等功能。可搭載多種傳感器，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境勘探作業(yè)的需要。

關(guān)鍵詞：Arduino UNO;SPCE061A;語音識(shí)別;藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0171-01

1 設(shè)計(jì)背景

基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的當(dāng)今社會(huì)，對(duì)人工智能、AI技術(shù)的全方面普及，智能制造技術(shù)占領(lǐng)了時(shí)代發(fā)展的潮流尖端，機(jī)器人的智能化已成為當(dāng)代機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，它所涉及的學(xué)科包括機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、無線通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等。機(jī)器人的技術(shù)水平可以反映出一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)水平，特別是測(cè)控技術(shù)的發(fā)展水平。如何使機(jī)器人具有語言、感覺、運(yùn)動(dòng)功能，在某些領(lǐng)域取代人工勞動(dòng)，是智能機(jī)器人研究的主要目的之一。

隨著現(xiàn)代科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谂c機(jī)器的信息交流中，需要一種更加方便、自然的方式。語言是人類最重要、最有效和最方便的信息交流方式，人類通過語言相互溝通，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日常生活中人類的信息交流約有75%是通過語言來完成的。這就很容易讓人想到能否用自然語言代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人機(jī)交互方式，如鍵盤、鼠標(biāo)、手寫或按鍵輸入等。人機(jī)語言交流需要機(jī)器具有聽覺，能“聽懂”人類的語言，這就是機(jī)器的語音識(shí)別功能。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無線語音識(shí)別智能機(jī)器人采用Arduino UNO控制器作為檢測(cè)和控制核心，配合凌陽SPCE061A單片機(jī)的語音特色，利用系統(tǒng)的語音資源，通過RB無線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)語音控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、測(cè)距播報(bào)等功能。通過搭載傳感器，可以實(shí)現(xiàn)循跡、避障、超聲測(cè)距播報(bào)等功能。無線語音識(shí)別智能機(jī)器人預(yù)留多種傳感器接口：如光線傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等，為機(jī)器人在后續(xù)功能上的升級(jí)擴(kuò)展提供了極大的便利性。無線語音識(shí)別智能機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線語音識(shí)別智能機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)器人端和操作端兩部分：

機(jī)器人端的核心控制板是Arduino UNO，通過從各種傳感器中收集具體的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過PID算法處理，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)操作端的指令做出相應(yīng)的反饋動(dòng)作。機(jī)器人端主要包括：

3.1 超聲波傳感器

通過超聲波傳感器的感應(yīng)，在停止?fàn)顟B(tài)下可以播報(bào)與障礙物之間的距離，有效探測(cè)范圍約為1cm-500cm。通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，按定向式65度圓錐偵測(cè)，遇到障礙物后，反射回接收器端口，響應(yīng)信號(hào)，距離測(cè)算公式為：

測(cè)試距離=高電平持續(xù)時(shí)間/340（m/s）*0.5

3.2 預(yù)留傳感器接口

預(yù)留的接口包括光線傳感器、聲音傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等多種傳感器接口，為機(jī)器人在后續(xù)功能上的升級(jí)擴(kuò)展提供了極大的便利。

3.3 無線藍(lán)牙模塊

通過設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊一主一從，進(jìn)行使用GFSK調(diào)制方式配對(duì)，實(shí)現(xiàn)與操作端之間的通信和無線數(shù)據(jù)傳輸，在空曠地帶，收發(fā)距離可以達(dá)到20-30m，在短距離的局域網(wǎng)通信中，發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢(shì)。

3.4 Arduino UNO控制器

無線語音識(shí)別智能機(jī)器人的檢測(cè)和控制核心，Arduino既能脫離電腦獨(dú)立運(yùn)行，也能在運(yùn)行時(shí)和電腦中運(yùn)行的程序進(jìn)行通訊對(duì)話。在應(yīng)用領(lǐng)域上，還能通過搭載各種傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)、WIFI傳輸、無線攝像頭和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。除此之外，它能夠兼容傳感器擴(kuò)展板v5.0并且能用它額外的端口適應(yīng)新的擴(kuò)展板。可以采用 USB 接口供電，不需外接電源，也可以使用外部 DC 輸入，使用更為方便。

3.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

用于驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)或雙極性步進(jìn)電機(jī)，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)工作，通過定義PWM調(diào)速接口，設(shè)定模擬值，使直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、加速前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的功能，使機(jī)器輕松應(yīng)對(duì)不同的工作環(huán)境。

3.6 舵機(jī)

作為無線語音識(shí)別智能機(jī)器人的電機(jī)，其內(nèi)部采用的電機(jī)為直流有刷空心杯電機(jī)，內(nèi)部采用無鐵轉(zhuǎn)子，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、激活制動(dòng)響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定性可靠、自適應(yīng)能力強(qiáng)、電磁干擾少的優(yōu)點(diǎn)。

操作端包括凌陽SPCE061A單片機(jī)套裝和無線藍(lán)牙模塊，通過凌陽SPCE061A單片機(jī)完成操作者語音輸入識(shí)別并轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的機(jī)器語言，傳輸給無線語音識(shí)別智能機(jī)器人。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線語音識(shí)別智能機(jī)器人預(yù)設(shè)了5條命令和語言參考模型庫，通過開機(jī)啟動(dòng)，按提示輸入語言指令，讓機(jī)器熟悉語言環(huán)境，通過特征提取，學(xué)習(xí)訓(xùn)練、模式匹配來匹配語言模型庫，進(jìn)一步改變成為機(jī)器語言，配置端口的電平高低，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。在接收到操作人員發(fā)出的語音指令時(shí)，語音識(shí)別系統(tǒng)給予回應(yīng)，通過預(yù)先設(shè)定好的程序配置單片機(jī)引腳的高低電平，進(jìn)而控制機(jī)器人的行為動(dòng)作。

5 結(jié)語

無線語音識(shí)別智能機(jī)器人是通過語音來控制機(jī)器人的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件之間的相互協(xié)調(diào)，人機(jī)交互是本設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

通過擴(kuò)展各種傳感器，無線語音識(shí)別智能機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷工作環(huán)境及狀態(tài)，并且自動(dòng)調(diào)整工作方式，并且將工作環(huán)境中的不同狀況通過語音方式傳送給操作者，與操作者之間進(jìn)行溝通，真正的實(shí)現(xiàn)像人一樣通過協(xié)作和思考來進(jìn)行工作。

Design and Realization of Intelligent Robot for Wireless Speech Recognition based on Arduino UNO

YANG Yu-lin，QUAN Wei，ZHAO Tao

（Jiangsu Vocational College of Information Technology， Wuxi? Jiangsu? 214153）

Abstract：This design uses Arduino UNO controller as the detection and control core， with SUNPLUS SPCE061A MCU speech recognition technology combined with modern speech synthesis technology， through RB wireless bluetooth module to achieve information transmission， voice control robot for variable speed forward， backward， left， right turn， ranging broadcast and other functions. It can be equipped with a variety of sensors to meet the needs of exploration in complex environments.

Key words：Arduino UNO;SPCE061A;Speech recognition;Bluetooth