基于PID算法的語音智能小車設(shè)計(jì)

張敏麗 郭紅壯 于源華

摘 要： 本設(shè)計(jì)基于PID算法設(shè)計(jì)了一種智能語音控制小車，主要包括電機(jī)驅(qū)動模塊、語音識別模塊、單片機(jī)控制模塊。核心部分是采用STM32F101單片機(jī)和LD3320語音芯片實(shí)現(xiàn)語音智能控制，LD3320芯片對語音信號檢測和數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送給STM32F101單片機(jī)，STM32F101單片機(jī)對語音信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對小車的智能控制。系統(tǒng)主要硬件電路包括主控模塊電路、語音通信電路、電機(jī)驅(qū)動電路。軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)語音通信程序、數(shù)據(jù)處理分析程序、電機(jī)驅(qū)動程序、PID算法的實(shí)現(xiàn)。使用L298N電機(jī)驅(qū)動以及5V直流電機(jī)，采用PID算法可以方便、靈活控制速度。在各模塊的軟件設(shè)計(jì)與仿真之后，經(jīng)過各模塊實(shí)物的制作以及測試，完成了智能操控系統(tǒng)兒童電動車的制作。語音識別距離范圍5m;實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。

關(guān)鍵詞： PID算法;STM32F101;LD3320;L298N;語音控制

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)中主要包含四個主要部分：語音芯片對語音正確的識別、單片機(jī)對關(guān)鍵詞的匹配、控制信號的發(fā)送、驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)。

總體框圖如圖1所示：

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，硬件電路主要包括四大模塊：語音芯片電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動電路和電源電路。

1.2.1 主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

按照此次設(shè)計(jì)的要求，開始對芯片種類的查找，翻看資料進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較，要使用STM32作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。STM32系列位微控制器使用來自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，特別設(shè)計(jì)適用于集性能高、功耗低、實(shí)時應(yīng)用、競爭性價(jià)格具有優(yōu)勢于一體的嵌入式領(lǐng)域[1]。

本次設(shè)計(jì)采用的STM32F101R8T6芯片，STM32芯片的脈寬是由兩種不同的寄存器通過確定頻率和根據(jù)占空比產(chǎn)生PWM信號來調(diào)節(jié)的。輸出三種PWM邊沿對齊模式來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。使PWM控制信號的輸出更加方便，因此可按照需要選擇使用。組成STM32的最小系統(tǒng)電路有電源電路、復(fù)位電路以及振蕩電路等。51個GPIO，所有I/O口都可以連接到16個外部中斷;3個16位定時器，每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和量編碼器輸入，1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗定時器——獨(dú)立的和窗口型的[2]。

1.2.2 語音信號檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的語音芯片是LD3320語音芯片，LD3320芯片是一種語音識別專用的集成芯片，無需提前錄入和模擬訓(xùn)練，不會限制特定的語音信息，能夠快速可靠并準(zhǔn)確的識別關(guān)鍵詞。每次在程序中可寫入50個關(guān)鍵詞組，可以是單字、詞組或短句，識別句的內(nèi)容可隨時修改，輸入語音信息后，語音芯片會按照關(guān)鍵詞組一一比較。該芯片中包含了關(guān)于語音識別處理的一系列結(jié)構(gòu)和外部電路，包括AD/DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音放大器、聲音輸出接口以及LED燈監(jiān)測系統(tǒng)等。不需要外接輔助的Flash和RAM，使用方便[3]。語音識別后的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在寄存器中，寄存器是暫存數(shù)據(jù)、指令和地址的，數(shù)據(jù)的傳遞都是通過對寄存器的操作來完成數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的。例如在進(jìn)行語音識別的時候，存儲要匹配識別的關(guān)鍵詞語列表，設(shè)定輸入信號的識別模式，識別過程完成后獲取的識別結(jié)果都是通過讀/寫寄存器來完成。在LD3320語音芯片在對語音檢測時，可以對干擾噪音時間進(jìn)行判斷，根據(jù)時間長度可以檢測出指令是否終止。該芯片與STM32控制器之間的通訊方式可以采用并行通信或SPI通訊的方式，本設(shè)計(jì)中選用并行接口通信，因?yàn)楫?dāng)單片機(jī)接收語音芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)時，必須先將串行數(shù)據(jù)通過并行數(shù)據(jù)，然后再輸入到單片機(jī)。會產(chǎn)生誤差，影響識別的精確度。當(dāng)單片機(jī)需要向驅(qū)動電路發(fā)送控制信號時，也需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，并行傳送。語音模塊電路圖如圖2所示：

1.2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)使用2個有刷直流電機(jī)，高轉(zhuǎn)速控制靈活簡便。L298N是雙H橋驅(qū)動電機(jī)芯片，內(nèi)含四通道邏輯電路，可以用來驅(qū)動一個兩相步進(jìn)電機(jī)或兩個驅(qū)動電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載，是專門用作驅(qū)動的集成電路[4]。最高輸出電流為4A，最高工作電壓為50V，在本設(shè)計(jì)中，輸出電流為2A，輸出電壓為5V，該電路可以外接檢測電路，將變化量反饋給單片機(jī)電路。有四種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動/停止;可對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速。

1.2.4 電源模塊

在本次設(shè)計(jì)的電路中，對L298N驅(qū)動芯片和對電機(jī)的驅(qū)動電源都采用5V供電，而單片機(jī)和語音芯片通過TTL轉(zhuǎn)換接口采用轉(zhuǎn)換出來的3.3V進(jìn)行供電，又因?yàn)閱纹瑱C(jī)要給驅(qū)動電路發(fā)送控制信號，所以單片機(jī)和驅(qū)動電路的連接就是將兩個模塊的GND連接在一起，實(shí)現(xiàn)通信?？梢杂萌?jié)AA電池供電，也可采用充電寶電源通過穩(wěn)壓芯片供電。由于不斷調(diào)試耗費(fèi)電池量大，而且充電寶優(yōu)可提供穩(wěn)定的5V電壓，環(huán)保且高效的給小車提供動力。所以選擇充電寶供電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 STM32控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32控制系統(tǒng)程序采用C語言編程，KEIL開發(fā)軟件進(jìn)行開發(fā)。首先進(jìn)行初始化操作，將控制系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行初始化，包括語音交互模塊、觸摸屏模塊以及串口通信的軟件初始化。當(dāng)按下啟動開關(guān)后才可正常工作，在工作時，當(dāng)有語音輸入時，語音識別模塊對關(guān)鍵詞一一分析比較，系統(tǒng)便會根據(jù)關(guān)鍵詞對應(yīng)控制小車來實(shí)現(xiàn)不同的動作，LD3320芯片最多可以對50個關(guān)鍵詞進(jìn)行識別處理，因此可實(shí)現(xiàn)50種不同的控制動作。文中對智能小車的動作測試只有六種，如果以后要增加其他功能，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求繼續(xù)添加。

2.2 語音數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)

語音識別的操作順序是：語音輸入LD3320音頻處理器進(jìn)行處理，音頻采樣錄入識別列表，保存在存儲器中，MCU讀取存儲器，與關(guān)鍵詞相匹配開始識別，識別結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)。并準(zhǔn)備好中斷響應(yīng)函數(shù)，打開中斷允許位。在本次設(shè)計(jì)中，起初采用的就是觸發(fā)方式識別配合按鍵控制的，但由于每次啟動識別都需要重復(fù)按鍵，所以就優(yōu)化了識別方式，改用了循環(huán)識別，使其更加智能化。

3 自整定模糊PID的算法實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用PID調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動狀態(tài)的變化。傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖4所示：

在過程控制中模糊控制器與PID控制器的結(jié)合控制成為了很重要的研究方向。在本設(shè)計(jì)中，模糊控制在整個復(fù)合控制器中起輔助控制的作用，本質(zhì)為PID控制器。主要利用模糊控制器的反模糊化輸出來調(diào)節(jié)PID控制器的三個參數(shù)，從而使PID控制器的三個參數(shù)能夠自調(diào)整達(dá)到提高控制性能的目的[5]。以模糊控制器來輔助PID控制器的模糊控制原理如圖5所示：

模糊控制器的輸入為預(yù)設(shè)值r（t）與反饋值得到的偏差e（t）以及偏差變化率Δe（t），輸出經(jīng)模糊控制器得到3個參數(shù)的增量ΔKp，ΔKi，ΔKd，再與預(yù)先整定的PID控制器的3個參數(shù)Kp0，Ki0，，Kd0求和。Kp=Kp0+ΔKp ;Ki=Ki0+ΔKi;Kd=Kd0+ΔKd。

這樣就實(shí)現(xiàn)了Kp，Ki，Kd的參數(shù)變化整定，進(jìn)而根據(jù)被控對象的特點(diǎn)變化而產(chǎn)生改變提高性能指標(biāo)。

4 結(jié)語

主要闡述了語音控制的智能小車的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，主要完成了智能語音小車的軟硬件設(shè)計(jì)，并畫出了軟件流程圖。并采用模糊控制PID算法對直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在上位機(jī)繪制PID曲線方便PID參數(shù)整定。將分模塊和整機(jī)分別進(jìn)行測試，結(jié)果顯示該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精確度較高，具有一定的抗干擾能力，可被廣泛應(yīng)用在教學(xué)、智能玩具和搬運(yùn)等場合，有很好的實(shí)用價(jià)值[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊婉榮.PCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué)，2014.

[2]蔣鳴東.利用STM32實(shí)時溫度采集及無線傳輸設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2013，9（12）：2929-2933.

[3]鄧天金，王昭武，余達(dá).基于單片機(jī)控制的多功能智能語音風(fēng)扇[J].電子世界，2017（23）：21-22.

[4]肖順梅.智能康復(fù)訓(xùn)練器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京理工大學(xué)，2015.

[5]彭少康.PCR儀溫度檢測與控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南華大學(xué)，2016.

[6]冷雪鋒.基于PID的STM32智能小車機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（11）：122-127.

*通訊作者： 于源華。