新能源汽車后備廂智能語音控制系統(tǒng)設(shè)計

吳 勝 馮宇航 林 楠

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

1 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，汽車的價格越來越低，汽車的使用也越來越普及。隨著汽車保有量的增加，各種舒適系統(tǒng)的開發(fā)日新月異。汽車后備廂舒適性開啟方式逐漸引起人們重視，各種智能后備廂開啟系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到中高端車型中。目前智能后備廂開啟方式主要有智能鑰匙感應(yīng)距離定位方式、多雷達捕捉人體動態(tài)探測方式、雷達距離探測方式、多電容捕捉人體動態(tài)探測方式、紅外線捕捉人體動態(tài)探測方式、后備廂底部腳踢傳感器探測方式等，目前以后備廂底部腳踢傳感器探測方式應(yīng)用較多。但是，以上所采取的方式中都有不同程度的功能缺陷，主要體現(xiàn)在探測精度低、后備廂誤開啟、成本高以及部分產(chǎn)品使用不方便等問題。如距離感應(yīng)方式，當(dāng)有車主鎖車后從車身邊上走開時會有開啟后備廂的動作，當(dāng)車主購物回來帶著較多物品時，用腳感應(yīng)傳感器的開啟方式又不是很方便。這些問題的出現(xiàn)主要還是因為它們的控制方式單一，沒有應(yīng)用雙認證導(dǎo)致的。因此，由特定語音控制開啟后備廂的方式必將成為未來后備廂開啟的新方式。

廣州市英頓汽車配件有限公司早在2017年前后就提出了“君子動口不動手”，用了1 天時間思考、立項，2 天時間開發(fā)，1 天調(diào)試，自主研發(fā)了一款英頓電動尾門，并在實際中得到了應(yīng)用。英頓也就成為國內(nèi)較早開展聲控電動尾門研發(fā)的單位，也吹響了智能語音開啟后備廂的號角。吉利汽車2020 款博越智尊PRO 車型也配備了語音控制后備廂功能，是國內(nèi)較早將語音控制后備廂功能應(yīng)用在汽車的廠家。特斯拉Model Y 可以利用蘋果手機軟件和Siri 打開后備廂，是最早在新能源汽車上應(yīng)用智能語音控制后備廂的車型。

本設(shè)計采用STM32 單片機為系統(tǒng)核心控制板，以新能源汽車后備廂實物為依托，內(nèi)置智能語音數(shù)據(jù)庫，當(dāng)鑰匙在檢測距離范圍內(nèi)時，系統(tǒng)實時采集語音指令數(shù)據(jù)，實現(xiàn)新能源汽車后備廂智能、精準的語音控制開啟和關(guān)閉。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對目前智能后備廂控制采用的雷達距離探測等方式存在的不足，本文設(shè)計一款能夠識別特定聲音的新能源汽車后備廂控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有語音實時播報、特定語音識別、串口通信和智能人機交互功能，實現(xiàn)后備廂語音精準、可靠控制。需要對現(xiàn)有新能源汽車后備廂開啟方式進行機械改造，以適應(yīng)該系統(tǒng)控制。自動開關(guān)的動力部分采用舵機控制，選用MG995，TBS2701舵機，扭力15公斤，用于控制后備廂開啟和關(guān)閉。當(dāng)智能鑰匙在感應(yīng)范圍內(nèi)，并且系統(tǒng)檢測到特定語音指令時，串口發(fā)送控制指令給舵機進行后備廂開關(guān)操作。當(dāng)語音模塊被喚醒，語音模塊會通過語音播放的方式對車主的指令進行確認，當(dāng)?shù)玫杰囍鞔_定回復(fù)時開啟或關(guān)閉后備廂。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)選擇

系統(tǒng)以STM32 單片機為核心控制板，前端為采集外部特定語音信號的信號收集裝置，后端為舵機控制模塊，用于開啟和關(guān)閉后備廂。新能源汽車后備廂智能語音控制系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

其硬件系統(tǒng)由電源模塊電路、STM32 核心控制板、工作模式選擇模塊、特定語音識別模塊、按鍵模塊以及舵機控制模塊等組成，系統(tǒng)硬件如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件

2.2 語音識別模塊設(shè)計

當(dāng)鑰匙開關(guān)在檢測范圍內(nèi)時，語音識別模塊被喚醒，等待車主發(fā)出后備廂喚醒指令。為實現(xiàn)特定聲音喚醒，確保非車主喚醒指令誤觸發(fā)系統(tǒng)工作，本設(shè)計采用云知聲智能語音芯片US516P6 進行設(shè)計。該芯片可以針對不同的場景需求配置不同的語音交互方案，自動生成SDK程序，支持喚醒詞自定義。系統(tǒng)集成了高精度AD/DA 轉(zhuǎn)換電路，智能AI語音識別技術(shù)，可以方便實現(xiàn)特定人員語音識別與人機對話功能[1]。通過出口電路實現(xiàn)與音響喇叭的通信，對識別結(jié)果進行實時反饋，其接口及電路如圖3所示。

圖3 語音識別模塊電路圖

2.3 工作模式選擇模塊設(shè)計

工作模式選擇是指對后備廂開啟方式的選擇，主要有兩種模式：傳統(tǒng)模式和語音控制模式。傳統(tǒng)模式是車輛最初配備的開啟模式，系統(tǒng)不干預(yù)原來的開啟方式。語音控制模式是系統(tǒng)接管了后備廂控制方式，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)語音識別控制。工作模式選擇采用撥碼開關(guān)來實現(xiàn)，撥碼開關(guān)實現(xiàn)電路如圖4所示。

圖4 工作模式選擇模塊電路

2.4 舵機控制模塊設(shè)計

舵機控制模塊是控制系統(tǒng)的末端，是系統(tǒng)開關(guān)后備廂執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動電路，是集電機控制、伺服驅(qū)動、PWM 控制于一體的伺服控制單元，適合于各種對舵機控制精度要求較高的場合。PWM 的舵機伺服控制系統(tǒng)采用脈寬控制，以達到對電機行程的線性控制。該方案所選用的舵機基準信號周期為20ms，占空比范圍0.5 ms ～2.5ms，1.5ms 這個基準信號定義為中位信號[2]。按所給的脈寬不同，可以實現(xiàn)0°～135°開啟角度的控制，完全滿足后備廂開關(guān)角度，在實際使用中通過測試可以將舵機變換角度調(diào)整到不同車型所對應(yīng)的合適范圍。舵機控制電路如圖5所示。

圖5 舵機控制電路圖

2.5 鑰匙信號檢測設(shè)計

鑰匙信號檢測功能使用原車提供的智能鑰匙檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基站（車身）和應(yīng)答器（無線鑰匙）組成。鑰匙與車身實時通信，通信方式為基站實時發(fā)送搜尋報文，該報文能夠被信號范圍內(nèi)的應(yīng)答器所識別，一旦識別到，鑰匙就會反饋應(yīng)答信號，實現(xiàn)身份驗證。身份驗證結(jié)果會反饋給ECU，實現(xiàn)開車門、開后備廂功能，我們設(shè)計的汽車智能后備廂系統(tǒng)接收該身份認證成功信號，作為系統(tǒng)實現(xiàn)聲控的前提，只有系統(tǒng)收到該認證成功信號后才能進行身份識別操作以及開關(guān)后備廂的動作。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的靈魂，具有支撐系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)工作的功能，軟件系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該充分考慮到系統(tǒng)的兼容性、可操作性和人機交互的簡潔性。本系統(tǒng)軟件設(shè)計包含4個部分：系統(tǒng)主程序設(shè)計、語音識別程序設(shè)計、人機交互程序設(shè)計、語音播報反饋程序設(shè)計、串口通信程序設(shè)計。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

新能源汽車后備廂智能語音控制系統(tǒng)上電后即可完成初始化工作，首先會播報當(dāng)前后備廂狀態(tài)是打開還是關(guān)閉，同時播報當(dāng)前系統(tǒng)工作模式。工作模式有兩種，一種是智能語音控制模式，一種是傳統(tǒng)控制模式[3]。傳統(tǒng)控制模式下，后備廂的開啟通過鑰匙開關(guān)或者汽車機械開關(guān)進行后備廂開關(guān)控制，同時發(fā)出語音提示。智能語音控制模式下，系統(tǒng)首先檢測是否有車主鑰匙接近，并識別其身份，當(dāng)識別該鑰匙身份合法后，喚醒智能語音識別系統(tǒng)。此時，系統(tǒng)會通過喇叭詢問車主：“是否開啟/關(guān)閉后備廂？”并實時監(jiān)測音頻輸入端口是否接收到特定語音信息，同時監(jiān)測后備廂狀態(tài)。當(dāng)語音系統(tǒng)檢測到車主發(fā)出的“打開/關(guān)閉后備廂”的確切指令后，系統(tǒng)進行指令合法性判斷，無誤后則執(zhí)行打開/關(guān)閉后備廂操作。當(dāng)語音系統(tǒng)檢測到否定內(nèi)容或者為不合法身份人員的語音指令時，則保持后備廂狀態(tài)不變，結(jié)束進程[4]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序如下：

3.2 語音系統(tǒng)程序設(shè)計

語音系統(tǒng)上電后，首先開始對系統(tǒng)內(nèi)時鐘、串口、定時器等進行初始化，開始等待語音助手喚醒指令，如果系統(tǒng)檢測到語音喚醒命令，則發(fā)出喚醒指令到系統(tǒng)，同時喇叭播報“智能語音控制模式”，然后系統(tǒng)進入循環(huán)檢測狀態(tài)，等待車主進一步語音指令[5]。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有效指令時，執(zhí)行相應(yīng)操作，檢測到無效指令，則保持系統(tǒng)狀態(tài)不變。語音系統(tǒng)程序設(shè)計如圖8所示。

圖8 語音系統(tǒng)程序流程圖

語音系統(tǒng)程序如下：

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的新能源汽車后備廂智能語音控制系統(tǒng)由語音模塊、按鍵模塊、電源模塊、STM32核心板以及舵機控制模塊組成，系統(tǒng)采用降壓穩(wěn)壓、語音識別、串口通信、人機交互等技術(shù)，實現(xiàn)了新能源汽車后備廂的智能語音控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，語音識別準確率高，適合作為汽車后備廂語音控制開關(guān)使用。系統(tǒng)雖已實現(xiàn)自動語音識別控制功能，但仍然存在需要改進和完善的地方，如增加智能語音交互功能，使車主使用更安全。