曹琛,常樂

(北京理工大學(xué)　計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京　100081)

一種智能家居服務(wù)機(jī)器人的家居服務(wù)設(shè)計(jì)

曹琛,常樂

(北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京100081)

提出一種智能家居服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)架構(gòu),以TMS320F2812作為主控芯片,嵌入監(jiān)聽器模塊,利用延時(shí)估計(jì)法實(shí)現(xiàn)聲源方位的實(shí)時(shí)檢測(cè);嵌入語音識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和避障模塊,實(shí)現(xiàn)語音控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),并且利用超聲波傳感器使得機(jī)器人在移動(dòng)過程中能夠躲避障礙物;此外,提供編程接口實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)家庭成員語音指令做出相應(yīng)的行動(dòng)。

TMS320F2812;智能家居;機(jī)器人;語音識(shí)別;超聲波避障

引 言

隨著電子技術(shù)、嵌入式領(lǐng)域的快速發(fā)展,智能控制和自動(dòng)化技術(shù)日益成熟,同時(shí)機(jī)器人領(lǐng)域也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,讓機(jī)器人聽懂人話,用各種指令(如聲音、手勢(shì))來操縱機(jī)器人進(jìn)行一系列的操作,使之能與人交流,完成人們交給它們的任務(wù)是越來越多的工業(yè)、商業(yè)、家庭、乃至個(gè)人亟待發(fā)展的課題之一。

現(xiàn)代家居中,人們?cè)絹碓阶⒅丶抑懈鞣N家具布局的智能化,可操作化,合理化,科學(xué)化和人性化。提出一種包含語音、通信接口、電機(jī)、避障、信號(hào)處理等模塊的設(shè)計(jì)框架,可以設(shè)計(jì)制造出一種智能化、人性化的智能家居服務(wù)機(jī)器人。

生活中人們需要到有垃圾桶的地方去扔廢物或雜物,會(huì)帶來一些不便性,尤其是老人、孕婦和殘疾人,不便、費(fèi)時(shí)、費(fèi)勁等問題更為突出。針對(duì)一問題,設(shè)計(jì)出一種可幫人處理垃圾的家居服務(wù)機(jī)器人,機(jī)器人隨叫隨到,當(dāng)用戶想要扔垃圾的時(shí)候,只要將指令說出來,機(jī)器人就會(huì)快速準(zhǔn)確無誤地來到身邊。由于聲音信號(hào)在系統(tǒng)中會(huì)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理結(jié)果直接決定了最終的效果,因此本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一套基于DSP控制的能夠語音識(shí)別的智能機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)“隨叫隨到”的控制功能。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)以TMS320F28012作為核心控制器[1],以拾音器作為聲音傳感器,采用延時(shí)估計(jì)法,實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自行判斷;采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)躲避行進(jìn)過程中的障礙,準(zhǔn)確到達(dá)用戶方位;同時(shí),采用語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶各種語音指示的識(shí)別,從而使得此智能家居機(jī)器人具有聲控避障功能,能“隨叫隨到”,體現(xiàn)了智能化,充滿了人性化。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件包括兩大部分:機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件控制電路?；谌嗆嚇?gòu)造的想法,車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)為一部三輪小車車體,當(dāng)車體上的拾音器接收到指令信號(hào)(用戶的聲音指令)時(shí),自動(dòng)地移動(dòng)到用戶所在處。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,包括電源設(shè)計(jì)模塊、TMS320F2812最小系統(tǒng)模塊、語音識(shí)別模塊、聲源定位模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波避障模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件主要包括一些算法,如特定語音識(shí)別算法、聲源定位算法和自動(dòng)避障算法。

1.2.1 特定語音識(shí)別算法

針對(duì)特定語音的識(shí)別,本設(shè)計(jì)采用的是凌陽語音芯片SPCE061A,其處理過程如圖2所示。首先要濾除輸入的語音信號(hào)的噪音并進(jìn)行預(yù)加重處理,提升高頻分量,然后利用線性預(yù)測(cè)系數(shù)等方法進(jìn)行頻譜分析,找出語音的特征參數(shù)作為未知模式,與預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比對(duì),當(dāng)輸入的未知模式與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征一致時(shí),計(jì)算機(jī)便識(shí)別輸入的語音信號(hào)并輸出結(jié)果[7]。

圖2 SPCE061A語音識(shí)別過程

輸入的語音與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征完全一致固然好,但是,語音含有不確定因素,完全一致的情況幾乎不存在,事實(shí)上沒有人能以絕對(duì)相同的語調(diào)把一個(gè)詞說兩遍。因此,要預(yù)先制定好打算輸入語音的特征模式與標(biāo)準(zhǔn)模式類似程度(或距離度)的算法規(guī)則,把距離最小(即最類似)的模式作為識(shí)別相應(yīng)語音的方法。

1.2.2 聲源定位算法

針對(duì)聲源定位,本設(shè)計(jì)采用了基于傳聲器陣列時(shí)延估計(jì)法[4]來判斷用戶聲源的方向?；跁r(shí)延估計(jì)的聲源定位算法分為兩個(gè)部分:①時(shí)延估計(jì),計(jì)算聲源到兩個(gè)傳聲器之間的時(shí)間差;②方位估計(jì),根據(jù)時(shí)延和傳聲器陣列的幾何位置來估測(cè)出聲源的所在位置。第一部分即時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確度是關(guān)系到聲源定位準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵條件。

(1)時(shí)延估計(jì)

時(shí)延估計(jì)(Time Delay Estimation,TDE)采用廣義互相關(guān)法。假設(shè)兩傳聲器m1和m2間距為d,在沒有混響的情況下,兩傳聲器接收到的信號(hào)x1(t)和x2(t)為:

s(t)是聲源信號(hào),α1、α2是在聲源至傳感器傳遞過程中聲波的傳播衰減系數(shù);τ是聲源傳播至兩個(gè)傳感器延遲時(shí)間,即到達(dá)時(shí)延(TDOA);n1(t)、n2(t)為環(huán)境噪聲?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的互相關(guān)法來估測(cè)到達(dá)時(shí)延(TDOA),互相關(guān)方程如下:

根據(jù)式(3)選取不同的權(quán)函數(shù)ψ12(ω),就可得到到達(dá)時(shí)延的不同算法,可以根據(jù)實(shí)際情況(實(shí)際聲學(xué)的環(huán)境)選擇對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則來選取權(quán)函數(shù),使得Rx1x2(τ)有個(gè)較尖銳的峰值,得到較好的估測(cè)效果。Rx1x2(τ)的峰值處就是兩個(gè)傳聲器之間的時(shí)延?？墒窃趯?shí)際場(chǎng)景下,權(quán)函數(shù)的選取是一個(gè)難點(diǎn)。目前用得比較多的是基于互功率譜相位加權(quán)(CSP)法,其中加權(quán)函數(shù)選為。此方法的核心思想是對(duì)信號(hào)互功率譜進(jìn)行歸一化處理,去除信號(hào)的幅度值,只保留信號(hào)的相位特征,對(duì)于抑制噪聲和混響,都有不錯(cuò)的效果。

(2)方位估計(jì)

圖3 幾何定位法

由圖3可得:

因?yàn)锳B距離和V聲音已經(jīng)給出,時(shí)延(tA-tB)可由式(1)～(3)算出,再由式(4)、式(5)就可求得聲源偏移正方向的角度θ。得到方位后,就能編程控制驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向用戶方向移動(dòng)。

1.2.3 超聲波避障算法

避障采用聲波反射原理,在測(cè)量過程中聲波信號(hào)由傳感器發(fā)出,在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即反射回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。因此可以采用時(shí)間差測(cè)距法,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S, 即S=v×Δt/2。式中,v為超聲波在空氣中的傳播速度,該值與溫度有關(guān),在常溫下近似為340 m/s;Δt為發(fā)射、接收信號(hào)的時(shí)間差。

系統(tǒng)中在機(jī)器人前、后、左、右分別放置超聲波傳感器,可分別測(cè)量出垃圾桶與障礙物之間的距離,根據(jù)距離的遠(yuǎn)近決定機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)的電源模塊[5]如圖4所示。TMS320F2812芯片的核心需要+1.8 V供電,I/O口需要+3.3 V供電;凌陽語音芯片SPCE061A由5 V供電;拾音器由5 V供電;直流電動(dòng)機(jī)由5 V供電。

對(duì)照組和觀察組的60例研究患者每天給予患者1枚安達(dá)芬栓（重組人干擾素α2b栓，安徽安科生物工程（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)，國藥準(zhǔn)字S20020103，10萬U/粒）進(jìn)行治療，于月經(jīng)結(jié)束后第3天開始使用，具體用藥方法為每晚睡前將藥物置入到陰道后穹窿處，1粒/次，且連續(xù)使用12次為1個(gè)治療療程，治療3個(gè)療程?；颊咴谥委熎陂g禁止盆浴、陰道沖洗、性生活。

圖4 電源模塊

2.2 聲源定位模塊

聲源定位模塊主要包括拾音器構(gòu)成的麥克風(fēng)陣列和信號(hào)處理單元,如圖5所示。

圖5 拾音器與DSP連接圖

麥克風(fēng)陣列采用兩個(gè)拾音器(監(jiān)聽器)來實(shí)現(xiàn),拾音器具有成本低、保真度高、噪聲小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),監(jiān)聽范圍為30～50 m2。不過拾音器所拾取的聲音信號(hào)過小,在采集的時(shí)候容易受周圍環(huán)境噪聲的影響,所以有必要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,在設(shè)計(jì)中通過信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行處理,使之盡可能滿足系統(tǒng)要求。本設(shè)計(jì)采取兩級(jí)放大電路,主要是為了放大拾音器采集到的微弱電信號(hào)。又因?yàn)锳/D模塊無法采集負(fù)電壓,因此需要對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行偏置,使其不出現(xiàn)負(fù)電壓,以便于后續(xù)的DSP采樣,更大程度地減小誤差。

2.3 語音識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)采用語音芯片SPCE061A作為語音模塊實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別,相比于專業(yè)的語音處理芯片更加方便,節(jié)省了成本,且容易實(shí)現(xiàn)。此芯片擁有8路10位精度的ADC,其中一路為專用聲音轉(zhuǎn)換通道,并且內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)電路,這為實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別提供了方便的硬件條件。不僅如此,SPCE061A還具有通用異步串行接口(UART)模塊,可以用來與TMS320F2812串行通信。借助于IOB端口的復(fù)用功能和UART IRQ中斷,可以同時(shí)完成UART接口的接收與發(fā)送過程。SPCE061A 與TMS320F2812通過串口進(jìn)行通信,如圖6所示。

圖6 語音芯片SPCE061A與DSP的連接圖

2.4 TMS320F2812最小系統(tǒng)

智能機(jī)器人控制器是最主要的核心部分,它的主要作用在于:接收并處理各種傳感器信號(hào),準(zhǔn)確判斷輸入信號(hào),并輸出合適的輸出信號(hào),因?yàn)樾枰幚淼臄?shù)據(jù)量是很大的,所以對(duì)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度要求很高,適合采用DSP。

本設(shè)計(jì)選用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心處理器。TMS320F2812每秒可以執(zhí)行150 MB條指令,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,片內(nèi)存儲(chǔ)器資源包括:128 KB×16b POM,18 KB×16b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SARAM、片內(nèi)128 KB×16b的Flash程序存儲(chǔ)器、4 KB×16b片上Boot ROM、1 KB×16b的一次可編程存儲(chǔ)器OTP;同時(shí)集成豐富的外設(shè)資源,主要包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、事件管理器模塊(EV)、串行外設(shè)接口模塊(SPI)、串行通信接口模塊(SCI)、CAN控制器模塊(eCAN)等,可以很方便地采集并處理各種傳感器信號(hào),實(shí)時(shí)地控制機(jī)器人的移動(dòng),并完成與語音識(shí)別芯片的通信。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)DSP控制器的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行(前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退等)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)電路,如圖7所示[6]。

Q1、Q2、Q3、Q4這4個(gè)三極管組成4個(gè)橋臂,Q1和Q4一組,Q2和Q3一組,Q5控制Q2、Q3的導(dǎo)通與斷開, Q6控制Q1和Q4的導(dǎo)通與斷開。由于Q5、Q6由TMS320F28027的GPIO口來控制,這樣就能通過I/O輸出的高低電平來控制四個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷,從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)等),進(jìn)而控制垃圾桶的移動(dòng)方向。在設(shè)計(jì)中利用了L298N芯片驅(qū)動(dòng)元件,可以有效地避免分立元件帶來的電路板過于復(fù)雜的問題。

圖7 H橋驅(qū)動(dòng)電路

2.6 避障檢測(cè)模塊

障礙檢測(cè)模塊作為對(duì)外部障礙信息的采集窗口,把移動(dòng)過程中障礙信息檢測(cè)出來,并交給DSP控制器進(jìn)行處理。系統(tǒng)中采用的傳感器是UCM40T/R,若傳感器接收到反射的超聲波,就通知DSP控制器前方有障礙物,反之則可以行進(jìn)。超聲波避障模塊與DSP控制器的連接圖如圖8所示。

圖8 超聲波避障模塊與DSP控制器的連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括:特定聲源定位算法模塊、避障軟件模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、SCI通信模塊。系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖9所示。

3.1 特定聲源定位算法模塊

本系統(tǒng)的聲源定位算法主要基于傳聲器陣列時(shí)延估計(jì)法,利用A/D采樣模塊檢測(cè)不同拾音器所接收到的聲音信號(hào),算法實(shí)現(xiàn)上采用的是廣義互相關(guān)法。DSP采樣得到的波形接近為正弦波,將對(duì)應(yīng)采樣得到的值放入數(shù)組中保存,首先進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,得出互相關(guān)譜。為了避免誤差和雜音的干擾,進(jìn)行了多次計(jì)算去除了誤差較大的值。其算法流程圖如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)總體軟件流程圖

圖10 聲源定位算法流程圖

為了避免機(jī)器人對(duì)接收到的任何聲音都進(jìn)行定位,本系統(tǒng)在定位時(shí)加入了語音識(shí)別,即只對(duì)需要的聲音進(jìn)行方位判斷,其算法流程圖如圖11所示。對(duì)特定聲音進(jìn)行語音識(shí)別的流程圖如圖12所示。

3.2 避障軟件模塊

避障軟件模塊采用一個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的采樣。機(jī)器人上電后,首先對(duì)前進(jìn)方向上的兩個(gè)超聲波上電,并在觸發(fā)其中一個(gè)超聲波的同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作,每個(gè)回波返回,都會(huì)觸發(fā)一次外部中斷,在外部中斷處理程序?qū)Τ暡ǚ祷貢r(shí)間進(jìn)行記錄。同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)超聲波傳感器而關(guān)閉當(dāng)前工作的傳感器。

實(shí)際上,在每個(gè)時(shí)刻,只有一個(gè)超聲波傳感器[8]工作,并采集到數(shù)據(jù)。當(dāng)前面的兩個(gè)超聲波中的任何一個(gè)采集到的數(shù)據(jù)小于同定值(認(rèn)為有障礙物的值)時(shí),才依次打開另外3對(duì)超聲波傳感器。超聲波避障流程圖如圖13所示。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)介紹:

圖11 語音辨識(shí)整體框圖

圖12 特定聲音的聲源定位流程圖

①選擇TMS320F2812作為DSP控制器,充分利用其A/D采樣、GPIO、中斷、定時(shí)器SCI等功能,利用TMS320F2812超強(qiáng)的MCU特性(高速采樣和快速計(jì)算能力)采集并且計(jì)算出了μs級(jí)的時(shí)間差信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化。

②本設(shè)計(jì)所采用的特定聲源定位法,可以有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)特定的聲音指令的判斷并定位,從而向聲源移動(dòng)。

③設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠?qū)μ囟ǖ穆曇糁噶钸M(jìn)行識(shí)別,根據(jù)不同的指令做出不同的動(dòng)作,從而使其人性化。

④所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠在移動(dòng)過程中躲避障礙(利用超聲波避障模塊),從而使其更加智能化。

⑤本設(shè)計(jì)在機(jī)器人設(shè)計(jì)范疇內(nèi),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的聽覺(聲音定位)、認(rèn)知(根據(jù)不同聲音指令做不同操作)、行走(運(yùn)動(dòng))和觸覺(躲避障礙物)等功能。

5 評(píng)測(cè)與結(jié)果

用戶相對(duì)機(jī)器人有多個(gè)測(cè)試位置,其中用戶距離機(jī)器人的直線距離均大于4 m。測(cè)試結(jié)果如表1和表2所列。

表1 特定聲音定位測(cè)試結(jié)果

圖13 超聲波避障流程圖

表2 聲音識(shí)別測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語

從上述一系列的測(cè)試可知,當(dāng)機(jī)器人接收到用戶的聲音信號(hào)后,會(huì)自動(dòng)地移動(dòng)到用戶身邊,若移動(dòng)過程中有障礙物,能夠很聰明地躲開。機(jī)器人還能識(shí)別用戶不同的聲音指令,并根據(jù)不同的指令做出不同的操作。下一步工作將對(duì)算法不斷改進(jìn),使其更加成熟。

[1]蘇奎峰,呂強(qiáng),常天慶,等.TMS320X281x DSP原理及C程序開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]容茂成,祖麗楠,楊鵬.移動(dòng)機(jī)器人聽覺定位技術(shù)研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2009(1).

[3]呂曉玲,張明路.基于機(jī)器人聽覺的聲源定位策略[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010(4).

[4]崔瑋瑋,曹志剛,魏建強(qiáng).聲源定位中的時(shí)延估計(jì)技術(shù)[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2007(3).

[5]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].4版.北京:高等教育出版社,1999.

[6]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試[M].2版.武漢:武漢華中理工出版社,2000.

[7]李晶皎.凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[8]徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

(責(zé)任編輯:楊迪娜收修改稿日期:2016-05-12)

Home Service Design of Smart Home Service Robot

Cao Chen,Chang Le

(School of Computer Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

In the paper,a design architecture of intelligent home service robor is proposed,which takes TMS320F2812 as the master chip, the listener module is embedded.The delay estimation method(Time Delay Estimation,TDE)is used for the real-time detection of the sound source orientation,the embedded speech recognition module,the motor drive module and the obstacle avoidance module are used for the voice control movement of the robot.The robot uses the ultrasonic sensors in the process of moving,that can avoid the obstacles. In addition,it provides a programming interface for the robot family members voice commands to make the appropriate actions.

TMS320F2812;smart home;robot;sound source recognition;ultrasonic obstacle avoidance

TP368.1

A