语音定位智能寻源垃圾桶的设计讲解.pdf

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1、(20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -1- 合泰杯单片机应用设计竞赛初赛报告书 参赛编号 ： 20160415 学 校： 重庆机电职业技术学院 作品名称 ：采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶 指导老师 ： 杨川 参赛队员 ：向游 李曼芸汤玲 采用单片机型号： HT66F70A 日期：2015 年12月30日 一、摘要 随着社会经济的不断发展，智能控制技术日益成熟。现代家居中，人们越来越注重 各种电器家具布局的智能化，合理化，科学化以及人性化。本作品旨在设计一款基于 HT66F70A 单片机控制的智能家居垃圾桶， 该智能垃圾桶采用声音和红外传感器，通过延 时估计法

2、实现声源方位的实时检测，具有语音控制垃圾桶行进功能和红外避障功能，同 时，智能垃圾桶能快速识别用户发出的各种语音指示，自动完成开启、关闭垃圾桶等动 作，真正实现随叫随到，为人们的日常生活带来便利。本作品完成之后能够很好的管理 垃圾桶满足用户的要求，符合科技型、可持续性发展社会的标准。 关键词： HT66F70A; 声源定位；语音识别；红外式传感器 二、作品介绍 2.1 作品背景 随着中国城市和经济的迅速发展，人们的生活水平不断提高，人们在生活中产生的 生活垃圾都需要垃圾桶放置，特别是老人、妇女或者残疾人，放置垃圾时存在的诸多不 便、费时、费力等问题，提出了具有语音识别功能的智能垃圾桶设计方案，

3、当用户想要 扔垃圾时，只要一声令下，垃圾桶就会快速准确到达身边。同时为了符合节约型、可持 续性发展社会的标准， 产生了对垃圾桶智能管理的需求。 传统垃圾桶存在占用室内面积， 堵墙角过道，远程操控不变，不卫生等现象。对于占用面积问题和不便捷问题，都是可 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -2- 以通过智能管理来完美解决的。 2.2 创作目的 为了在满足用户前提下最大限度的省时省力，解决垃圾桶使用便捷的问题，我们设 计了一个语音识别系统，来控制垃圾桶的工作状态。生活中人们都需到一定的垃圾桶放 置处扔垃圾，而且考虑到老人、孕妇或者有残疾的病人，所存在的不便、费时、费劲

4、等 问题日益突出。针对此问题，本系统提出了具有“随叫随到”功能的垃圾桶的设计方案， 即当用户想要扔垃圾的时候，只要一声令下，垃圾桶就会快准确无误地来到身边。并且 设计出了一套基于HT66F70A控制的具有语音识别技术的声控智能垃圾桶，实现了对其 “随叫随到”的控制。 三、作品功能与实用性 设计的作品系统结构包括垃圾桶车体机械结构、硬件控制电路和软件设计三部分。 其中车体机械结构为一部带万向轮的两轮驱动车体，能按照在不同地点处用户发出 的声音指令，自动行驶到用户所在地。 本设计通过语音识别模块识别出用户的呼叫命令， 同时通过声源定位模块判断用户所处位置，再通过 HT66F70A 产生驱动电机的P

5、WM 信 号，利用电机驱动模块驱动垃圾桶向声源方向行驶，并在行进过程中，利用避障模块自 行避开障碍物。同时，该设计还支持用户对打开垃圾桶盖、关闭垃圾桶盖等语音控制。 该设计将智能、便利、个性化融合在一起，为新时代的家居生活和高效率的办公带来方 便、快捷和可靠。 四、设计原理 4.1 作品工作原理 本系统采用盛群提供的高性能、低功耗的处理器HT66F70A 芯片为核心控制器。 系 统包括电源模块、 HT66F70A 最小系统、声源定位模块、语音识别模块、避障模块和电 机驱动模块。各个模块功能阐述如下： 声音采集：由拾音器声音传感器采集声音， 通过两级放大电路对语音信号进行放大。 语音识别： Ph

6、ilips 公司 UDA1341TS 专用的语音处理芯片，能对语音实现放大、滤 波、采样、 AD 或 DA 转换及进行数字语音处理功能。 电机驱动：由 HT66F70A 产生 PWM 控制信号驱动电机工作。 避障：以红外式传感器探测障碍距离并采用漫反射式光电开关进行避障。 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -3- 通过对采集的声音加以数字语音处理，将输人的语音信号经过音频数字信号编译码 器 UDA1341TS 处理后，与保存在Flash 中的参考样本进行对比，找出最佳的声音识别 效果，然后由调用函数控制HT66F70A 的 I0 口，指挥垃圾桶的运动。电机的驱动

7、电 路则采用 H 桥驱动电路， 控制 4 个桥臂的导通与关断控制电机的运行状态，使之正转反 转或者停转，进而控制垃圾桶的行驶。根据红外探测器发射头发出的光束，被障碍物反 射，接收头据此做出判断是否有障碍物。HT66F70A 根据接收头电平的高低做出相应控 制，避免小车碰到障碍物。 HT66F70A 最最最最 最最最最 最最最最 最最最最最最 最最 最最最最最最 最 最 最 最 最 最 最最最最最最 最最 最最最最 最最最最最最 最最最最最 图 1 系统整体框图 4.2 声源定位算法 针对声源定位，系统采用基于传声器阵列时延估计法来估测用户发声的方向。基于 时延估计的声源定位算法分为两个部分：(

8、1) 时延估计，即计算声源到两两传声器之间 的时间差。 (2) 方位估计，即根据时延和传声器阵列的几何位置估计出声源的位置，其 中时延估计的精度是关系到声源定位精确与否的关键因素。 （1）时延估计 时延估计采用广义互相关法。假设两传声器m1和 m2间距为 d，在没有混响的情况 下，两传声器接受到的信号 tx1 和 tx2 : tntsatx111 (1) tntsatx 222 (2) (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -4- 其中， ts 为声源信号； 1 、 2 是声波从声源到传感器的传播衰减系数；是声 源传播到两个传感器所需延迟时间，即到达时延。 tn1

9、、 tn2 为环境噪声。这时，到达 时延(TDOA) 可以采用传统的互相关法进行估计，这时互相关方程为 dedeGxRx j xx j xx 00 21211221 （3） 其中 x xx XXEG * 121 ，是传声器 1、2 拾取信号的互相关谱 12 ；是权 函数； 211221xxxx G 是广义互相关谱，这样到达时延为 根据上式选取不同的权函数 12 就可得到到达时延的不同算法，它的选取可根据 实际的声学环境选择相应的准则，使得 21xx R 有个比较尖锐的峰值，得到最好的估计 效果 21xx R 。的峰值处即为两传声器间的时延。但在实际应用中，权函数的选取是一 个难点。目前用得较多

10、的是基于互功率谱相位加权(CSP)法，其中加权函数选为 21 /112 xx G 。这种方法通过对信号互功率谱的归一化，去除了信号的幅度信息，只 保留了信号的相位特性，对于噪声和混响都有一定的抑制效果。 (2) 方位估计 采用几何定位法，利用角度距离估计方位。利用两个拾音器摆成如图2 所示，利用 拾音器 1 和 2 接收到得时间差就可以检测出声源偏离主轴的角度。 图 2：几何定位 由图 2 可得 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -5- AB AC arcsin (4) AC = ( t A t B ) V声音 (5) 由于 AB距离和 V 声音已知，时延 (t

11、 A一 t B) 可由式 (1) 式(3) 算出，再由式 (4) 和式(5) 可求得声源偏移正方向的角度，则可控制电机转动使垃圾桶向用户方位旋转 并前进。 4.3 特定语音识别算法 针对特定语音的识别，采用动态时间规整(DTW) 的算法，是一种把时间规整和距离 测度的计算结合起来非线性规整技术，多用于孤立词的语音识别。 首先应滤掉输入语音信号的噪音并进行预加重处理，提升高频分量，然后线性预测 系数等方法进行频谱分析，找出语音的特征参数作为未知模式，与预先存储的标准模式 进行比较，当输入的未知模式与标准模式的特征一致时，HT66F70A 便识别输入的语音信 号并输出结果。 五、实作设计结构 5.

12、1 硬件部分 系统硬件电路总体结构框图如图3 所示，包括电源模块、 HT66F70A 最小系统、声源 定位模块、语音识别模块、避障模块和电机驱动模块。 HT66F70A 最最最最 最最最最 最最最最 最最最最最最 最最 最最最最最最 最 最 最 最 最 最 最最最最最最 最最 最最最最 最最最最最最 最最最最最 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -6- 图 3：系统总体结构框图 5.1.1 声源定位模块 声源定位模块主要包括拾音器构成的麦克风阵列和信号处理单元。 系统中麦克风阵列选用2 个拾音器来实现， 其监听范围为 2030m2 。由于拾音器所 拾取的声音信号

13、太小，易受环境噪声影响，因此有必要对声音信号进行预处理，通过信 号调理单元的处理，使其能够满足系统要求。为了能够将拾音器输出的微弱电信号有效 放大，系统采取两级放大电路。由于A/D 模块不能采集负电压信号，因此需要对放大后 的电信号进行偏置，使其不出现负电压，便于HT66F70A 采样，使其输出的误差更小。 5.1.2 语音识别模块 设计采用 Philips公司 UDA1341TS 专用的语音处理芯片， 能对语音实现放大、 滤波、 采样、 A/D或 D/A转换及进行数字语音处理功能， 并且支持 IIS 总线数据格式，与HT66F70A 内置 IIS 总线接口配合使用。 HT66F70A 芯片上

14、内置的 IIS 接口不但能够读取IIS 总线上 的数据，为 FIFO数据提供 DMA 的传输模式，而且可以同时传输和接收数据。UDA1341TS 对所采集的语音信号进行采集和编码，由DTW 模型算法进行模板训练，并将训练结果存 储在 Flash 中以便于在语音信号识别阶段读取模板。在语音信号识别阶段，将输人的语 音信号经过音频数字信号编译码器UDA1341TS 处理后，通知 HT66F70A ，与保存在 Flash 中的参考样本进行对比，找出最佳的声音识别效果，然后由调用函数控制HT66F70A的 I/O 口，指挥垃圾桶的运动。 5.1.3 电机驱动模块 电机驱动模块根据HT66F70A 控制

15、器输出的控制信号驱动电机的运行。由HT66F70A 产生两路 PWM 波，通过 L298N电机驱动芯片控制两个直流电机，分别驱动左轮和右轮。 直走时两路 PWM 波频率相位相同，当需要转弯时，改变PWM 波控制相应的电机反转，另 一电机正转。两边形成差速即可实现转弯。调整反转的的时间，可以控制转弯的大小和 快慢，改变 PWM 波的占空比可以控制小车的速度. (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -7- 图 4: 电机驱动模块电路图 5.1.4 避障模块 避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。光电开关是集发射头和接收头于一体的 检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光

16、束，被障碍物反射，接收头据此做出判断 是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电 平。HT66F70A 根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物， 由于接收管 输出 TTL电平，有利于 HT66F70A对信号的处理。障碍检测模块作为对外部障碍信息的 采集窗口，将行进过程中障碍信息检测出来，并传递给HT66F70A 控制器进行处理。 图 5: 避障模块电路图 5.1.5 HT66F70A 最小系统 以盛群公司的HT66F70A微处理器为核心控制器，其主要作用：接收和处理收到的 各种传感器信号，并通过决策后输出合适的控制信号。利用HT66F70A丰富的

17、片上外设 可以方便地采集和处理各种传感器的信号，实时控制垃圾桶的运动，同时完成与语音芯 片 UDA1341TS 之间的通信。 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -8- 5.2 软件部分 5.2.1 系统整体软件设计 系统软件主要包括：数据采集模块、通讯模块、特定声源定位算法模块和避障软件 模块。系统软件总体流程图如图6 所示。 图 6：总体程序流程图 5.2.2 特定声源定位算法设计 系统的声源定位算法主要基于传声器阵列时延估计法，利用 A/D采样模块检测不同 拾音器所接收到的声音信号， 算法实现采用广义互相关法。 HT66F70A 采样得到的波形接 近为正弦波

18、， 将对应采样得到的值放人数组中保存，首先进行相关运算， 得出互相关谱。 为避免误差和杂音的干扰，进行多次计算去除了误差较大的值。声源定位算法流程图如 图 7 所示。 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -9- 图 7：声源定位算法流程图 同时，为避免垃圾桶对接收到的任何声音都进行定位，系统在定位时加入了语音识 别，即只对需要的声音进行方位判断，对特定声音进行语音识别的流程框图如图8 所示 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -10- 图 8：特定用户声音声源定位流程图 5.2.3 避障软件设计 避障软件模块采用对HT66F70A的

19、GPIO口查询方法。在HT66F70A 上电后，主函数 中一直查询 GPIO ，某一路的 GPIO出现低电平时，进入相应的子函数，执行相应的控制 动作。 3 个红外传感器同时工作，发射红外信号。任何一个红外接收装置接收到反射的 红外信号进入相应的子函数执行控制电机转动。红外壁障流程图如图9 所示。 (20160415) ：(采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶) -11- 图 9：红外避障流程图 六、参考文献 1 李新科，高潮，郭永彩基于语音识别和红外光电传感器的自循迹智能小车设计 J 传感器与微系统， 2011(12) ：105108 2 宋艳基于嵌入式语音识别系统的研究D 西安：西安科技大学， 2011 3 王栋基于 ARM 的智能探测小车的设计与实现D 苏州：苏州大学， 2010 4 侯益坤，侯聪玲基于ARM 嵌入式的智能小车的控制系统设计J 机电工程技术， 2010(1) ：4650 5 李磊，曹生炜智能小车避障技术的实现J 微电机， 2011(6) ：109-111 6 贺家琳声音定位算法研究及实现天津：天津大学，2009. 7 张青基于时延估计的声源定位算法北京：北方工业大学，2009. 8 陆晓燕基于单片机的声音定位系统的设计电子技术，2013：19