基于安卓語音識別的無人機(jī)控制系統(tǒng)

應(yīng)捷　韓旭

摘要摘要：為了使四旋翼無人機(jī)更加智能，控制更加簡便，需設(shè)計(jì)新的控制方式。語音識別技術(shù)發(fā)展日趨成熟，在信息處理和自動(dòng)化等領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛。通過在Android設(shè)備上傳入語音命令操控四旋翼無人機(jī)，調(diào)整飛行姿態(tài)、速度、方向，解放了人的雙手，實(shí)現(xiàn)了語音控制無人機(jī)飛行。不同環(huán)境下的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能良好。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；Android；語音控制；語音識別技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162849

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005005403

0引言

無人機(jī)是一種機(jī)內(nèi)無人駕駛的飛行器，具有動(dòng)力裝置和傳感器等模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或由內(nèi)置程序自主控制飛行，自出現(xiàn)以來就受到發(fā)燒友的熱烈追捧，相關(guān)研究進(jìn)展迅速[1]。Android設(shè)備在移動(dòng)終端市場占有率較高，為使無人機(jī)控制方式更加簡便、智能化，本文在Android平臺設(shè)計(jì)了語音控制四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過語音識別控制無人機(jī)的設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)由動(dòng)力部分、姿態(tài)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(wǎng)聯(lián)盟的語音識別語法規(guī)范1.0標(biāo)準(zhǔn)（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式的文檔完成語音識別，識別結(jié)果經(jīng)軟件處理，匹配生成相應(yīng)的控制指令，通過手機(jī)WiFi功能發(fā)送到無人機(jī)端。無人機(jī)端通過TICC3200 WiFi模塊接收控制命令，在STM32F3的控制下驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成用戶的相應(yīng)命令。控制器根據(jù)控制命令以及由傳感器組感知的無人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)（飛行姿態(tài)、高度、方向等），經(jīng)過姿態(tài)融合算法和控制算法運(yùn)算后調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)按照人的語音控制命令來控制無人機(jī)[36]。圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1飛控硬件模塊

本設(shè)計(jì)選用市場上常用的F450四軸機(jī)架作無人機(jī)機(jī)架，選用SP Racing F3 飛控板作無人機(jī)控制器，負(fù)責(zé)檢測無人機(jī)姿態(tài)和加速度，控制無人機(jī)各項(xiàng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制無人機(jī)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向、控制WiFi模塊（或GSM模塊或藍(lán)牙模塊）進(jìn)行通信工作。SP Racing F3 飛控板以STM32F3處理器為核心，集成氣壓計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)、地磁計(jì)，可加GPS、LED燈帶、聲納等配件，使定高、定點(diǎn)、翻滾等飛行姿態(tài)的開發(fā)工作變得十分簡便[34]。圖2為飛控主控制器系統(tǒng)電路。

2.2無線傳輸模塊

無人機(jī)通信模塊可選擇WiFi模塊、GSM模塊和藍(lán)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(shè)備在哪都能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；如果要異地控制，可選用GSM模塊，但通信速率偏低；藍(lán)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(shù)據(jù)吞吐量大，且?guī)装倜淄ㄐ欧秶銐蚴褂?，而WiFi模塊通信速率高，所以選用WiFi模塊。本系統(tǒng)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(dá)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(jī)端的Microsoft系統(tǒng)集成語音識別功能雖然也可應(yīng)用于本系統(tǒng)，但調(diào)試后發(fā)現(xiàn)效果不佳。相比之下安卓手機(jī)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(xùn)練過程，更加符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖3為硬件設(shè)計(jì)框架。

3軟件設(shè)計(jì)

語音控制系統(tǒng)算法如DTW、HMM等都很成熟，主要采用單片機(jī)或DSP加上語音識別算法實(shí)現(xiàn)語音控制，這種控制方式通過內(nèi)部算法簡化了外部電路，同時(shí)語音識別精度也較高。但要求處理器具有較強(qiáng)的運(yùn)算分析能力，而且需要足夠大的外擴(kuò)存儲空間。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成，分別是STM32處理器程序和Android應(yīng)用程序。STM32處理器程序是在Keil IDE開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫，運(yùn)行在STM32主控制芯片中。STM32處理器代碼還包括控制器與外設(shè)通信的代碼編寫。Android應(yīng)用程序在eclipse+ADT環(huán)境下用JAVA語言開發(fā)，編譯生成的APK文件運(yùn)行在安卓手機(jī)平臺[56]。

Android手機(jī)由WiFi模塊實(shí)現(xiàn)和無人機(jī)通信并對其控制。首先，Android應(yīng)用程序向無人機(jī)發(fā)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(yù)設(shè)值相同后，STM32對此請求應(yīng)答，Android應(yīng)用程序收到應(yīng)答后停止發(fā)送配對請求，至此配對過程結(jié)束。配對完成后，STM32周期性地將無人機(jī)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給Android應(yīng)用程序，Android應(yīng)用程序監(jiān)測WiFi信號并接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)更新應(yīng)用程序顯示無人機(jī)狀態(tài)。應(yīng)用程序監(jiān)測WiFi信號的同時(shí)監(jiān)測語音信號，若識別出語音控制命令（包括開啟、關(guān)閉、前進(jìn)、后退、向左飛行、向右飛行、升高、下降），立即將控制命令發(fā)送至無人機(jī)。STM32收到控制命令后即根據(jù)控制命令做出相應(yīng)動(dòng)作。

3.1SRGS1.0規(guī)范

SRGS1.0規(guī)范等同于某些編程語言的正則表達(dá)式，它定義了一個(gè)句子的集合。解碼器將根據(jù)文法生成的集合，對語音輸入的句子進(jìn)行兩個(gè)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(xiàn)在開頭部分，指定文檔版本號，與編譯工具對應(yīng)[7]。一個(gè)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(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android應(yīng)用程序中監(jiān)聽語音命令方案：編寫基于萬維網(wǎng)聯(lián)盟的語音識別語法規(guī)范1.0標(biāo)準(zhǔn)（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式文檔，經(jīng)編譯工具處理生成匹配網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)作為匹配引擎輸入，可由匹配引擎對用戶語音輸入進(jìn)行匹配，啟動(dòng)手機(jī)內(nèi)置WiFi與外部WiFi模塊連接實(shí)現(xiàn)通信[8]。下面是安卓端語音轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

無人機(jī)端程序一方面將飛控搭載的傳感器模塊數(shù)據(jù)發(fā)送給安卓手機(jī)端，另一方面通過TICC3300模塊接收安卓平臺匹配后發(fā)來的飛行控制指令，將指令轉(zhuǎn)化為PWM定時(shí)器，生成飛控可識別的控制指令，發(fā)送給飛行器執(zhí)行模塊，執(zhí)行偏轉(zhuǎn)舵面或改變螺旋槳轉(zhuǎn)速或改變槳距，達(dá)到預(yù)期的飛行狀態(tài)。程序運(yùn)行中還包括各個(gè)模塊的初始化及通信[910]。下面是STM32PWM控制舵機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)分配3人在同一天的不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行室外試飛，對無人機(jī)進(jìn)行語音控制，在不同環(huán)境下測試控制精度，得到數(shù)據(jù)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(qū)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(shí)穿透力不強(qiáng)，因此會影響語音信號的傳輸，嘈雜的室外環(huán)境也會影響語音輸入的精度。測試結(jié)果顯示成功率達(dá)到84%，圖4為實(shí)物。

5結(jié)語

目前，絕大部分無人機(jī)采用手動(dòng)操作遙控方式，購買無人機(jī)時(shí)還要另購一個(gè)航模遙控器（價(jià)格幾百元不

等），本文采用基于Android設(shè)備的語音控制方式大大簡化了操作，只需用語言傳達(dá)操控命令，通過手機(jī)端直接與無人機(jī)交互，節(jié)省了成本，使得無人機(jī)更加智能。

圖4四旋翼無人機(jī)

嵌入式語音控制系統(tǒng)主要采用內(nèi)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(shù)據(jù)，經(jīng)處理器讀取和分析后得到相關(guān)信息，開發(fā)難度高、工作繁瑣。本文利用基于Android設(shè)備的語音識別技術(shù)去控制系統(tǒng)，大大簡化了開發(fā)過程，省去了嵌入式很多不必要的重復(fù)性工作。

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