语音机器人毕业论文.doc
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1、摘 要自从工业机器人投入应用以来,它已经在社会生产制造等许多领域中发挥了巨大的作用。随着电子技术的不断发展,自动化已经不再是一个新鲜的话题。目前,各种娱乐、示教、服务类型的机器人正在走进我们的日常生活,它们也将为我们的生活带来很多的方便和乐趣。语音一直是我们日常生活最惯常自然的信息交流方式,实现人机间语音通信就显得必不可少,进行语音控制的研究工作具有很强的现在意义和应用前景。本文以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心,根据语音识别技术,以轮式玩具机器人为控制对象,设计了一个语音控制机器人系统。首先,论述了目前语音识别技术的发展现状,语音识别技术在机器人控制中的应用前景;然后,进行了系统总
2、体方案设计,进行了各功能模块的选型。在此基础上进行了系统的硬件设计和软件设计。最后,进行了语音识别测试,实现了对机器人前进、后退、左转、右转等动作的语音控制。本文设计的语音控制技术,也可以应用到控制空调、电视、灯光、自动窗帘等。关键词:机器人,语音控制,语音识别,SPCE061A单片机The Design of Voice Control Robot AbstractSince the industrial robot has been put into applications,it has played all important role in many fields such as s
3、ocial production and manufacturing. Currently, all kinds of robots which provide entertainment,teaching,and service are stepping into our daily life,they will also bring many convenience and pleasure to usVoice has always be the most usual and natural ways of exchanging information in Our daily life
4、It is essential to achieve voice-communication between people and robots,studies of voicecontrolling have great practical significance and good application prospectsSunplus 16-bit microcontroller SPCE061A based on voice recognition technology, wheeled toy robot control object, the design of a voice
5、control robotic systems for the control of the core. First, it discusses the development status of the current speech recognition technology, voice recognition technology in robot control application prospects; then, the overall system design of each functional module selection. On this basis, the s
6、ystems hardware and software design. Finally, the speech recognition test, the robot forward, backward, turn left, turn right action of the voice control.In this paper, the design of the voice control technology can be applied to control air conditioning, TV, lights, automatic curtain.Key Words: rob
7、ot,voice control, speech recognition, SPCE061A目 录第一章 绪 论11.1 论文选题背景及研究意义11.2 国内外研究现状21.3 论文研究的主要内容3第二章 系统总体方案设计52.1 控制器的选择52.2 语音识别原理82.3 机器人对象的选择102.4 机器人电机调速及驱动方案设计102.5 系统总体方案12第三章 系统硬件电路设计133.1 控制单元电路设计133.1.1 凌阳单片机简介133.1.2 时钟电路的设计163.1.3 复位电路的设计163.1.4 SPCE061SA最小系统173.1.5 61开发板简介173.2 机器人电机控制
8、电路设计183.3 语音信号采集电路183.4 系统供电电源电路20第四章 系统软件设计214.1 系统工作过程214.1.1 系统工作过程214.1.2 系统程序设计方案选择214.1.3 编程语言的选择234.2 主程序设计244.3 中断服务子程序设计264.4 语音训练程序设计264.5 语音识别程序设计27第五章 全文总结28致 谢29参考文献30附录1 部分程序清单32附录2 系统总体电路图41第一章 绪 论1.1 论文选题背景及研究意义机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置,它可以执行植入的编排好的程序,也可以接受我们发给它的命令,也可以利用人工智能技术给它制定原则纲领行动
9、。在某些领域机器人能取代或协助人类更好地工作,目前制造业、建筑业,深海火山探险中都可以见到机器人的身影。著名机器人专家恩格尔伯格于1958年成立了一家命名为Unimation的机器人公司,并在1959年推出了世界上最早的一台工业机器人。工业机器人在工业生产上获得了很大的成功,工业机器人的需求同渐增长。然而1983年,恩格尔伯格却将Unimation公司卖给了西屋公司,和他的同事创建了TRC公司,它是一家研制服务机器人的公司。 语言是人类交流的最自然、最方便的手段,隐刺也必然成为人与计算机之间交流最自然、最方便的手段之一。随着语音技术的法杖和成熟,利用语音识别技术进行各种设备的控制已成为当今识别
10、技术的研究前沿课题 和发展方向之一。语音技术近几年来的飞速发展,无论是语音识别的识别效果、识别方式的多样化、抗噪声性及功能价格比等方面均有了质的变化,已经达到了全面应用的阶段;贴别是陆续推出的低价位、高识别性能、具有SD/SI/SV/SA等丰富语音识别内容的语音识别处理器,解开了语音识别技术在电子产品及应用的新局面。随着人工智能、计算机软硬件技术的发展,我们要求机器人具有一定的智能,智能机器人成为这一领域研究的热点,在未来战士等电影中所描述的机器人可以和我们人类进行自由交谈,还具有思考、学习能力。其实,要想机器人真正地走进人们的日常生活,为我们的生活带来更多方便和乐趣,一个高性能的语音识别系统
11、就显得必不可少。语言也是我们所使用的最惯常、高效、方便快捷的信息交流方式。机器人语音识别技术就是机器人对人所发出的语音指令、语句进行识别理解,来执行人所发出的命令,或分析理解说话的内容,给出正确的回答。广义的语音识别技术具体包括:语音识别(识别说话内容)、语种识别(识别说话语言种类)、说话人识别(识别说话人的身份)、语音评分(评价发音的标准程度)。语音识别技术涉及到语言学、工程、心理学和计算机技术等领域的专业知识,它是多学科交叉的边缘学科。实现人机之间畅通无阻的语音交流是人类一直不懈追求的梦想,语音识别技术是实现这一梦想的关键性技术。而随着人们对生活质量的不断要求,智能语音控制的机器人将会不断
12、充斥人们的生活,使人们生活更加便利多彩。1.2 国内外研究现状语音识别起源于20世纪50年代的Audry系统,这是语音识别研究工作的开端。1959年,J.W.Rorgie和C.D.Forgie采用数字计算机识别英文原音及孤立子,开始了计算机语音识别。20世纪60年代,计算机的应用对语音识别的发展起了很大的作用。这时期产生很多重要研究成果,提出了动态规划(DP)和线性预测分析技术(LP),其中后者是语音信号产生模型问题得到了较好的解决,对语音识别技术的后续研究工作产生了深远的影响。70年代,语音识别技术取得了进一步的突破,LP技术和动态时间规整技术(DTW)在理论上基本成熟,另外提出了矢量量化(
13、VQ)和隐马科夫模型(HMM)技术。基于线性预测倒谱和DTW技术实现了特定人孤立词的语音识别系统。20世纪80年代初,LP技术和DTW技术催生矢量量化(VQ)技术和隐马尔柯夫模型(HMM)理论,实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立词小词汇量语音识别系统。此时语音识别研究的重点之一是连接词语音识别,各种连接词语音识别算法被开发,如多级动态规划语音识别算法。另一重要发展是语音识别算法从模板匹配技术转向基于统计模型技术。研究从微观转向宏观,不再追求细化语音特征,而是从统计的角度来建立最佳的语音识别系统。隐马尔柯夫模型(HMMHidden Markov Mode1)是其典型,它能很好的描述语
14、音信号的时变性和平稳性。统计语言模型也开始取代基于规则语言模型的方法。HMM的研究使大词汇量连续语音识别系统的开发成为可能。80年代中期,在实践中成功应用了HMM模型和人工神经网络(ANN)。而AT&T Bell实验室Tabiner的等科学家建立了一套HMM模型的实验工具,使艰涩的HMM纯数学模型工程化,HMM走向应用。也为更多研究技术人员了解和认识HMM提供了更方便的途径。基于ANN和HMM模型建立的语音识别系统具有更好的性能1988年Kai-Fu Lee等用VQI-IMM方法实现了997个词汇的非特定人连续语音识别系统SPHINX,它在有,无文法限制的条件下识别率分别为96和82。这是世界
15、上第一个高性能的非特定人、大词汇量、连续语音识别系统,被认为是语音识别历史上的一个里程碑。进入90年代,多媒体时代已经来临,语音识别系统的使用需要更加紧迫。美国、日本、韩国等一些发达国家,以及 IBM、Apple、AT&T、NTT等著名公司投以巨资进行语音识别系统的开发。IBM公司于1997年正式推出中文听写机系统ViaVoice,该系统对新闻语音识别有较高的精度,是目前比较有代表的汉语连续语音识别系统。我国语音识别研究工作起步于五十年代,但近年来发展很快。研究水平也从实验室逐步走向实用。从1987年开始执行国家863计划后,国家863智 能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项,每两年滚动一
16、次。我国语音识别技术的研究水平已经基本上与国外同步,在汉语语音识别技术上还有自己的特点与优 势,并达到国际先进水平。其中具有代表性的研究单位为清华大学电子工程系与中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室。我国中科院自动化所研制的非特定人、连续语音听写系统和汉晤语音人机对话系统,其字准确率或系统响应率可达90以上。电子工程系语音技术与专用芯片设计课题组,研发的非特定人汉语数码串连续语音识别系统的识别精度,达到948(不定长数字串)和968(定长数字 串)。在有5的拒识率情况下,系统识别率可以达到969(不定长数字串)和987(定长数字串),这是目前国际最好的识别结果之一,其性能已经 接近实用水平
17、。研发的5000词邮包校核非特定人连续语音识别系统的识别率达到9873,前三选识别率达9996;并且可以识别普通话与四川话两 种语言,达到实用要求。2000年7月在北京自然博物馆新开设的动物展馆中展出的具有语音识别口语对话功能“熊猫”,采用了我们研发非特定人连续语音识别系统,在展览馆 这样高噪声的环境下,该识别系统的识别率也超过了98,达到实用要求。通过该系统观众与“熊猫”自然对话可以了解熊猫的生活习惯、生理结构等信息,其形 式生动、活泼,吸引了大量的学生与参观者。采用嵌入式芯片设计技术研发了语音识别专用芯片系统,该芯片以8位微控制器(MCU)核心,加上低通滤波器,模数(AD),数模 (DA)
18、,预放,功率放大器,RAM,ROM,脉宽调幅(PWM)等模块,构成了一个完整的系统芯片,这是国内研发的第一块语音识别专用芯片。芯片中包 括了语音识别、语音编码、语音合成功能,可以识别30条特定人语音命令,识别率超过95,其中的语音编码速率为16kbitss。该芯片可以用于智能 语音玩具;也可以与普通电话机相结合构成语音拨号电话机。这些系统的识别性能完全达到国际先进水平。研发的成果已经进入实用领域,一些应用型产品正在研发 中,其商品化的过程也越来越快。目前在语音识别、语音控制的应用研究中存在的问题是:1、语音信息具有很大的时变性,语音模式对不同的讲话者甚至对于同一个讲话者都是不同的。2、断点监测
19、,单词之间的停顿很模糊,使得全单词模型匹配准确率不高。3、非特定人语音识别问题,它是机器人走向实用化的一个重要环节,也是突破语音识别的关键性技术之一。4、实时性,机器人的大多应用场合要求实时性。5、语音的模糊性,汉语中有很多多音字,他们发音时一样的,识别他们必须根据上下文的发音和相关的词法、句法规则。1.3 论文研究的主要内容利用SPCE061A单片机,通过语音命令对机器人机体(包括2个用于走路的电机、1个用于头部旋转的电机、1个用于加速1个用于弹射的电机等)进行控制,能够实现走步、转向和转头功能。要求智能机器人可以识别15条命令,具有2种跳舞模式和发射飞盘功能。技术指标:机器人工作的额定电压
20、:6V(4节干电池); 机器人可以识别15条语音命令;机器人具有2种跳舞模式。论文的主要研究内容如下:1系统总体方案设计,包括系统控制器的选型,语音识别技术的原理,以及电机驱动方案选择等。2根据系统总体组成框图进行系统硬件设计,包括单片机最小系统的设计、电机驱动电路设计以及语音识别电路设计。3在系统硬件设计的基础上进行系统软件设计,包括主程序设计、语音识别程序设计等。第二章 系统总体方案设计2.1 控制器的选择根据系统控制要求我们首先选择控制器。市场上可供我们选择的控制器多种多样,比如工业控制计算机、PLC、单片机等。考虑到我们设计的机器人体积较小,为了使控制器能放置在机器人上,因此我们放弃选
21、用工业控制计算机作为控制器,所以我们只考虑在PLC和单片机中选出一种合适的控制器。方案一:可编程逻辑控制器(PLC)可编程控制器的种类千差万别,为了在恶劣的工业环境中使用,它们却有许多共同的特点。1、抗干扰能力强,可靠性极高工业生产对电器控制设备的可靠行的要求非常高,需具有很强的抗干扰能力强,能在很恶劣的环境下(如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等)长期连续可靠地工作,平均无故障时间(MTBF)长,故障修复时间短。能适应工业现场的恶劣环境。可以说,没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在PLC的设计和制造过程中,采取了精选元器件及多层次抗干扰等措
22、施,使PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上,有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上,如三菱公司的F1,F2系列的MTBF可达到30万小时,有些高档的MTBF还要高得多,绝这是其他电气设备根本做不到的。绝大多数的用户将可靠性作为选取控制装置的首要条件,PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。硬件方面,首先选用优质器件,采用合理的系统结构,加固、简化安装,使它能抗震动冲击。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对与工业生产过程中最常见的瞬间干扰,采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光用点耦合器传递信号,做到电浮空,
23、使CPU与外部电路完全切断了电的联系,有效地仰制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中,还设置多种耦波电路,除了采用常规的模拟耦波器(如LC耦波和n型耦波)外,还加上了数字耦波,消除和仰制高频干扰信号,消弱各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的+5V电源进行调整,以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施,对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,以防外界干扰。软件方面,PLC采取了很多特殊措施,设置了警戒时钟WDT(Watching Dog Tuner),系统运行时对WDT定时刷新,一旦
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