基于AVR和51單片機(jī)的機(jī)器魚語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器魚之間的交流，提出一種基于AVR和51單片機(jī)語音控制識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了51單片機(jī)主控M-LD3320語音識(shí)別模塊的語音識(shí)別系統(tǒng)，以及AVR主控魚體產(chǎn)生魚體波的動(dòng)力系統(tǒng)。語音識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到語音，就通過WAP200B無線通訊模塊將命令傳送給魚體的動(dòng)力系統(tǒng)，AVR再根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)的魚體波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以實(shí)現(xiàn)語音控制機(jī)器魚。
關(guān)鍵詞：LD3320語音識(shí)別；WAP200B無線通訊；ATmega128單片機(jī)；魚體波；51單片機(jī)

    近年來，海洋資源開發(fā)日趨焦點(diǎn)，機(jī)器魚作為一項(xiàng)現(xiàn)代化的新成果，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，它可以更逼真的模擬魚的游動(dòng)原理，在水下的運(yùn)動(dòng)更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它可以探測海洋資源，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形等等。隨著科技的發(fā)展，人類對(duì)智能化產(chǎn)品的研究步伐在不斷加快。但是，作為一項(xiàng)比較新的產(chǎn)品，機(jī)器魚的智能化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，伴隨著研究的加深，機(jī)器魚的功能也會(huì)更趨完善。語音識(shí)別作為一門交叉學(xué)科，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了長期以來人們渴望與機(jī)器交流的夢(mèng)想。語音識(shí)別技術(shù)就是讓機(jī)器通過識(shí)別和理解過程把語音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的高技術(shù)。近年來，語音識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，取得顯著進(jìn)步，并且已經(jīng)開始被應(yīng)用于通信、家庭服務(wù)、汽車電子、醫(yī)療、家電、消費(fèi)電子產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。截至目前，還沒有出現(xiàn)針對(duì)語音識(shí)別系統(tǒng)和機(jī)器魚結(jié)合的設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚和語音識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)。

1 芯片介紹
1．1 LD3320語音芯片介紹
    LD3320是一顆基于ASR技術(shù)非特定人語音識(shí)別的語音識(shí)別芯片。語音識(shí)別ASR技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語列表識(shí)別的技術(shù)。只需要軟件編輯好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對(duì)人說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識(shí)別，不需要作任何錄音。比如，在51單片機(jī)編程中，簡單地設(shè)置語音芯片的寄存器，諸如把“ni hao”這樣的識(shí)別關(guān)鍵詞動(dòng)態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識(shí)別這個(gè)關(guān)鍵詞語了。并且在同一時(shí)刻，最多可以在50條關(guān)鍵詞語中進(jìn)行識(shí)別，可以根據(jù)場景需要，在終端隨時(shí)編輯和更新這50條關(guān)鍵詞語。另外，芯片上集成了高精度的D／A和A／D接口，并且接有Flash和RAM，只需把麥克風(fēng)接在芯片的AD引腳上即可實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別／聲控／人機(jī)對(duì)話功能。
1．2 AVR芯片介紹
    本例使用ATmega128單片機(jī)作為魚體控制芯片，ATmega128具有以下特點(diǎn)：低功耗的8位微處理器，有133條指令，且大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；53個(gè)可編程I／O口線；128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；4K字節(jié)的EEPROM；優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間多達(dá)64K字節(jié)；兩個(gè)帶有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩個(gè)帶有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩路8位PWM；6路分辨率可變(2到16位)的PWM；兩個(gè)可編程的串行USART；8路10位的ADC。

2 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1 整體設(shè)計(jì)方案
    語音識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到語音數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給51單片機(jī)，然后單片機(jī)通過程序判斷語音數(shù)據(jù)的正確性(可能是噪音)，如果正確就通過P0口讀取語音數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過WAP200B無線通訊模塊發(fā)送給魚體主控芯片AVR單片機(jī)，此時(shí)AVR就可以根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波。整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2．2 語音控制部分
    M-LD3320進(jìn)行語音識(shí)別時(shí)，需要有較高純凈度的3．3V直流電源供電和合適的晶振信號(hào)(我們使用了12M正方形有源晶振)。使用51單片機(jī)編寫程序主控LD3320芯片，來實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別功能。同時(shí)必須保證51單片機(jī)和語音模塊的最終供電電源統(tǒng)一。
    麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識(shí)別到正常結(jié)果，芯片都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)通過IRO管腳返回給51單片機(jī)，并且將數(shù)據(jù)通過ICR_P0～I(xiàn)CR_P7傳送給51單片機(jī)進(jìn)行處理，然后中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果，如果識(shí)別成功，就將識(shí)別得到的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊發(fā)送出去。由于本文在語音模塊傳送數(shù)據(jù)給MCU時(shí)采用并行方式，所以MD直接接地，如果采用串行方式需要使MD管腳置高。它與51單片機(jī)(基于STC89C52)的連接示意圖如圖2所示。

    模塊PCB板已經(jīng)將連接麥克風(fēng)的引腳接到模塊的MIC插座上，所以在連接電路的時(shí)候11～19和22～31引腳懸空不用。與51單片機(jī)連接時(shí)，ICR_P0～I(xiàn)CR_P7(2和33-39引腳)必須連接在單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)需要在P0-P7，以及RDB，MD，INTB，WRB，CSB這些控制管腳上焊接1K ／10K的上拉電阻(上拉到3．3V即可)，這樣可以輔助系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。CLK引腳的連接有兩種選擇：1)直接將51單片機(jī)的晶振信號(hào)通過導(dǎo)線輸入到LD3320的CLK管腳，但是導(dǎo)線不宜過長。2)將正方形有源晶振直接焊接在模塊上預(yù)留的連接點(diǎn)，此時(shí)CLK管腳需要懸空。本文采用的第二種方法。
2．3 AVR控制部分
    AVR是魚體的主控MCU，主要用來控制機(jī)器魚的的動(dòng)力部分。機(jī)器魚的動(dòng)力來自舵機(jī)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)數(shù)為三個(gè)，即有三個(gè)舵機(jī)。每個(gè)舵機(jī)由十五位的不同占空比的PWM波來控制轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，三個(gè)舵機(jī)需要配合形成魚體波來控制魚體擺動(dòng)。魚體結(jié)構(gòu)如圖3。

    魚體波是利用桿系機(jī)器魚對(duì)真實(shí)魚游動(dòng)形態(tài)的擬合，可以認(rèn)為魚體波曲線是魚體波幅包絡(luò)線和正弦曲線的合成，它開始于魚體慣性力的中心，延伸至尾柄，其曲線方程可表示為
   
    式中，yboby是魚體的橫向位移(背腹軸)，x是魚體的軸向位侈(頭尾軸)，c1是魚體波波幅包絡(luò)線的一次項(xiàng)系數(shù)，c2是魚體波波幅包絡(luò)線的二次項(xiàng)系數(shù)，k是波長倍數(shù)(k=2π／λ)，λ是魚體波的波長，w是魚體波的頻率(w=2πf=2π／T)。
    由于計(jì)算機(jī)控制是一種離散的數(shù)字量，魚體波曲線也需要離散化，所以把時(shí)間參數(shù)t從魚體波運(yùn)動(dòng)函數(shù)yboby(x，t)中分離出來，方程即為
   
    式中，i表示一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)的樣條曲線序列的第i個(gè)變量；N表示魚體波分辨率，即在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)整個(gè)魚體波被離散的程度，其上限不能大于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的最高頻率。
    為了更好地表征魚體波動(dòng)的參數(shù)，提高魚體方向控制特別是轉(zhuǎn)彎過程中的靈活性，在方程2的特征參數(shù)基礎(chǔ)上，增加波長倍數(shù)k相對(duì)于x的二次增益，修改后的方程如下
   
    通過調(diào)整k1和k2的值，根據(jù)x的變化可以得到更多的魚體波曲線。同時(shí)，在機(jī)器魚的設(shè)計(jì)過程中，可通過微調(diào)身體波參數(shù)來增加運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。
    根據(jù)實(shí)際魚體選擇合適的魚體波參數(shù)，通過仿真工具模擬出一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)i從0～N的所有魚體波，就可以計(jì)算舵機(jī)在各種情況下所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，然后就可以設(shè)定各個(gè)舵機(jī)的PWM波占空比，就可以產(chǎn)生所需要的魚體波。本文設(shè)定參數(shù)為c1=0．05；c2=0．09；k1=0.5；k2=0.1；N=10的一條魚體波曲線如圖4，直線段為實(shí)際中三節(jié)舵機(jī)配合形成的魚體波，曲線為理想魚體波曲線。

    使用AVR的USART0與無線通信模塊連接。當(dāng)51單片機(jī)通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到AVR時(shí)，AVR單片機(jī)軟件控制會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串行中斷，此時(shí)可以判斷接收到的命令，根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機(jī)器魚的游動(dòng)方向。
2．4 WAP200B無線通訊傳輸部分
    無線模塊WAP200B總共有10個(gè)管腳：VCC_CPU為MCU電源輸入，VCC_RF為RF短路電源，VCC_PA為RF功放電源，它們?nèi)齻€(gè)管腳接DC3．3V；SET為配置或者正常工作模式選擇信號(hào)輸入管腳，低電平時(shí)WAP200B為配置模式，此時(shí)串口的數(shù)據(jù)作為配置指令而不會(huì)被傳送出去，高電平(3．3V)時(shí)模塊使能接發(fā)功能；RXD／TXD是串口數(shù)據(jù)從WAP200B輸入／輸出的管腳，3．3V／5V兼容TTL邏輯電平，RESET為復(fù)位信號(hào)輸入管腳，正常工作接高電平；ANTENNA為天線接口。連接方式如圖5所示。

    無線通訊模塊的TXD／RXD分別與51單片機(jī)的RXD／TD相連，就相當(dāng)于51單片機(jī)的一個(gè)串口。在使用無線通汛模塊之前，需要配置它的波特率、串口模式、頻道以及發(fā)射功率(SET置低)，兩個(gè)互相通訊的模塊必須保證具有相同的波特率和頻道，同時(shí)51單片機(jī)串口的波特率也必須和通訊模塊一致，發(fā)射功率可以根據(jù)發(fā)射的距離遠(yuǎn)近設(shè)定。

3 控制軟件設(shè)計(jì)流程
    51單片機(jī)是語音芯片的主控CPU，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式設(shè)定需要和無線通訊模塊一致)，語音系統(tǒng)的識(shí)別控制，命令數(shù)據(jù)的發(fā)送。51程序流程如圖6所示。

    AVR是魚體主控芯片，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式需要同上一致，還設(shè)置接收中斷打開狀態(tài))，產(chǎn)生使機(jī)器魚直游的PWM波，無論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會(huì)產(chǎn)生中斷，就需要根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機(jī)器魚的游動(dòng)方向，需要注意的是在改變PWM波占空比以后，只需要保持此占空比一段時(shí)間(該時(shí)間段內(nèi)有可能有新的命令)，在魚體改變方向以后就需要再次將占空比改為直游。AVR控制流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    此語音控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。我們?cè)?strong>51單片機(jī)中編輯了“zuo”、 “you”、 “qian”等命令：在AVR單片機(jī)的接受中斷編輯了相應(yīng)命令的PWM波占空比；所有串口通訊參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bps；串口模式為8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位；頻道設(shè)置為28；發(fā)射功率設(shè)為最大(FF)。使用了奧林巴斯ME52的麥克風(fēng)作為語音接收設(shè)備。

    表1是魚在直游(前)的時(shí)候，三個(gè)舵機(jī)在十個(gè)離散周期各自的轉(zhuǎn)角。在轉(zhuǎn)向的時(shí)候，前兩個(gè)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，第三個(gè)舵機(jī)保持不變；在進(jìn)行“左”轉(zhuǎn)命令時(shí)，舵機(jī)1和舵機(jī)2在直游基礎(chǔ)上加上負(fù)40°；“右”轉(zhuǎn)時(shí)加上正40°。由于舵機(jī)轉(zhuǎn)角與PWM波占空比是線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，我們匹配了PWM波占空比與舵機(jī)轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系式
   
    jiaodu是定義的直游時(shí)各舵機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)組，j是舵機(jī)號(hào)，i是周期，pianjiao是左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等附加給直游時(shí)的角度(正負(fù)40°)；xiuzheng是實(shí)際中需要調(diào)試的補(bǔ)償角度。
    實(shí)際操作中，當(dāng)發(fā)出“左”、 “右”、 “前”等命令時(shí)，機(jī)器魚會(huì)立即做出相應(yīng)的動(dòng)作。

5 結(jié)束語
    文中主要介紹了語音識(shí)別技術(shù)在機(jī)器魚上的應(yīng)用以及魚體波的產(chǎn)生原理，實(shí)現(xiàn)了語音控制機(jī)器魚的游動(dòng)方向，相信隨著機(jī)器魚的研究深入，可以在語音系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多功能，使機(jī)器魚更加趨于智能化，最終可以為人類探索海洋提供更多幫助和便利。