基于语音控制的起重运输机电路设计(编辑修改稿)

基于语音控制的起重运输机电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

的特点与优势，并达到国际先进水平。 在电话与通信系统中，智能语音接口正在把电话机从一个单纯的服务工具变成为一个服务的 “ 提供者 ” 和生活 “ 伙伴 ” ；使用电话与通信网络，人们可以通过语音命令方便地从远端的数据库系统中查询与提取有关的信息；随着计算机的小型化，键盘已经成为移动平台的一个很大障碍，想象一下如果手机仅仅只有一个手表那么大，再用键盘进行拨号操作已经是不可能的。 语音识别正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术，语音识别技术与语音合成技术结合使人们能够甩掉键盘，通过语音命令进行操作。 语音技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。 本文 研究的主要内容、目标与方法 龙门起重机（俗称龙门吊）是减轻装卸工人劳动强度，提高装卸作业生产能力的大型起重和装卸设备，用途十分的广泛。 在铁路货场装卸火车与汽车，在船厂里吊装船段，在水电站大坝起吊闸门，在港口码头装卸集装箱，在工厂内部起吊和搬运笨重的成件物品，在建筑安装工地进行施工作业，在贮木场堆积木材，在金属垃圾处理厂等等，都需要龙门起重机的参与。 龙门起重机是靠两个水平往复运动的综合，使得货物能在任意水平方向移动。 使货物水平方向移动的机构称为龙门起重机的运行机构。 加上使货物上下移动的起升机构，就能使龙门起 重机为一个长方形的面积及其上空的空间服务。 对于传统的龙门起重机而言，其司机控制室位于龙门起重机之上，随时都需作业者在高空中进行起重机的控制操作。 对于高空作业而言，事故不但易发而且事故一旦发生作业者将很难生还。 此外传统的龙门起重机一般都采用手动控制的方法来控制起重机的运行和货物的装卸。 而大多数的手动控制开关都采用闸刀开关和凸轮控制器、按钮开关等强电开关。 这都需要人亲自的去接触，有发生触电危险的安全隐患。 而在露天工作中，设备的老化使得安全事故更容易发生。 因此在起重机作业中几乎每年都有大大小小的事故发生。 设计将 现代化的语音识别技术融入到龙门起重机控制技术之中，形成一种新型采用语音指令来控制的龙门起重机。 通过人发出声音指令来控制龙门起重机在水平方向的运动和在竖直方向的运动，并包括货物的装卸是本设计所研究的主要内容。 使语音识别技术从实验室走向具体的生产和生活之中，通过语音识别技术来改进过去传统的设备或 创造一系列崭新和更便捷功能的设备，使人们的生活更方便、工作更安全是本设计的目标。 本设计是设计出计算机与机械机构的接口电路，它是整个设计（包括机械部分 设计、语音识别软件和控制软件的设计、电路部分设计）的一部分。 通过该接 口电路，将语音识别技术和控制软件与机械构件结合起来，用语音控制起重机运动。 第二章 系统总体方案设计 系统设计思路 该语音控制系统所要实现的功能是从软件的语音识别到相关的电路控制最后再到具体的机构的运动。 要实现该功能我们得从以下几点考虑： 第一，需要开发一个语音识别系统或语音识别芯片，所实现的功能是从人发出语音到电脑，软件对所发出的语音进行识别，来获得人所发出的语音指令。 识别的正确与否，将直接决定电路控制部分的电路输出，识别率的高低，将直接的影响该语音控制系统的工作效率。 为此，在进行语音识别的时候， 必须保证所设计的语音识别系统具有很高正确率，这点是阻碍语音识别技术发展的最大障碍，也是这是保证语音控制系统正常工作的前提。 第二，在完成了从人发出语音指令到识别软件正确的识别之后，就涉及到了从个人电脑到具体机械构件的接口问题 —— 电路控制部分设计。 电脑所输出的电压一般都是 5~12V 而一般的机械机构所产生运动都采用的是 380V 或更高的高电压。 要实现机构的运动就必须注意以下几点： （ 1）选择一个既能连接个人电脑又能承受高压的控制装置； （ 2）所选择的装置必须有低压和高压的隔离保护装置； （ 3）必须具有中断处理能力 ； （ 4）要完成许多机械机构的运动，那么该装置还必须具有多路输出通道； （ 5）为了便于语音控制软件功能的扩展，所选择的装置最好还应该具有多路数字输入量的通道。 在电路设计方面，除了完成了从个人计算机到控制开关之间的连接的电路设计之外，还应该完成相关机械运动构件控制电路的设计。 首先，对于龙门起重机这种大、中容量的电动机，因启动电流较大，过大的启动电流引起电源电压波动，影响其它设备的正常运转，所以一般不能采用直接启动；其次，三相异步电动机电源切断后，由于惯性的原因，总要经过一段时间，才可以完全停止旋转。 这往往不 能适应某些生产机械的工艺要求，如起重机、机床设备等。 从提高生产效率、生产安全以及准确定位等方面考虑，都要求电动机迅速停车，因此需要对电动机进行制动控制；再次，行走机构（大车、小车 ） 希望有两个速度，这要求电路设计中应具有调速功能；最后，要保证起升机构能准确地停留在空间任意位置；此外，在整个电路 设计中，应具有各种电路保护功能，例如过载保护、短路保护、过流保护等等。 第三，在完成了上述两个步骤的设计之后，我们应该设计一个机械系统来验证该语音控制系统的实用性。 在机械系统的设计方面我们应该注意以下几点： 所设计的机械 构件必须能体现现代化语音识别技术与现代生活和工作之间很好的融合性； 所设计的机械部分最好是在工程之中应该比较广泛的机器； 进行机械部分设计的时候必须按照工程上的设计标准进行设计，以此来体现现代化语音识别技术在工程控制之中的实用性。 最后，完成上述的软件部分、机械部分和电路部分的设计之后，所要进行的工作就是对三个部分进行连接、试运行及各部分之间的调试，直到该语音控制系统能够使得机械机构能按照所给定的语音指令平衡稳定的运行。 总体方案设计方框图 图 22 总体方案设计方框图 如图 22所示，总体方案 设计方框图。 当人工发出语音指令给计算机系统，计算机通过软件对语音进行识别、处理，并把这个指令传输给 USb4761 控制卡，用于 决定控制卡通道的通断，此时 USb4761 控制卡相当于继电器开关，控制卡的通道与电机的接触器相连，从而控制电机，最后达到控制起升机构和行走机构（包括大车和小车）运动的目的。 同时，在起重机小车行走机构和起升机构上安置行程开关，行程开关用于检测机构是否运动到极限位置。 当起升机构或小车运动到极限位置时，行程开关断开。 此时，行程开关与 USb4761 控制卡数据采集端口相连，控制卡采集控制卡 的信号，并反馈到计算机，计算机通过程序处理，反馈给语音控制人员。 系统软件、机械、电路设计概述 软件部分设计，计算机语音识别过程与人对语音识别处理过程基本上是一致的。 目前主流的语音识别技术是基于统计模式识别的基本理论。 一个完整的语音识别系统可大致分为三部分： （ 1）语音特征提取：其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序列。 （ 2）声学模型与模式匹配（识别算法）：声学模型是识别系统的底层模型，并且是语音识别系统中最关键的一部分。 声学模型通常由获取的语音特征通过训练产生，目的是为每个 发音建立发音模板。 在识别时将未知的语音特征同声学模型（模式）进行匹配与比较，计算未知语音的特征矢量序列和每个发音模板之间的距离。 声学模型的设计和语言发音特点密切相关。 声学模型单元大小（字发音模型、半音节模型或音素模型）对语音训练数据量大小、系统识别率，以及灵活性有较大的影响。 （ 3）语义理解：计算机对识别结果进行语法、语义分析。 明白语言的意义以便做出相应的反应。 通常是通过语言模型来实现。 语义理解作为一个相对独立研究领域，是以语言作为理解的对象，也有很多方法和成果。 目前比较成功的语言模型通常是采用统计 语法的语言模型与基于规则语法结构命令语言模型。 作为一个完整的语音应用系统。 鉴于识别输出有别于普通意义上的语言，如何选择理解的方式以达到最佳效果，也是一个重要环节。 对于普通的个人电脑而言，操作系统中将有微软所推出的语音训练向导，而后面推出的 Vista 系统其自身所带有语音辨认及语音朗读的功能，我们可以通过对操作系统之中的语音识别方面的功能进行深入的了解，借鉴其采用的语法脚本的方法 来确定，我们的语音识别软件采用面向对象的语言 Microsoft Visual BASIC 和脚本语法文件等等来开发语音识别软件。 电路 部分设计，我们一方面要解决从个人电脑到具体机械构件（电机）电路控制部分的接口的问题。 我们选择采用 USB4761 控制卡。 USB4761 是一款 USB 总线的继电器输出和隔离数字量输入输出模块。 它提供 8路带 2， 500VDC 隔离保护的隔离数字量输入，用于在噪声环境下接受数字量输入；以及提供 8路继电器输出，用于开 /关控制设备或小型电力开关。 为了便于监视，每个继电器都带有一个显示其开/关状态的红色 LED 指示灯。 USB4761 带有 8 个光隔离数字量输入通道，非常适合噪声环境下或有漂移电压情况下的数字量输入。 对该控制卡而 言，其在生产的时候除了 为用户 提供测试软件以外， 还 附有丰富的、功能齐全的软件库函数资源。 这样我们可以 使用 公司 为 我们 提供的 “DLL” 动态连接库函数， 这使得我们在采用Microsoft Visual BASIC 进行编程的难度也有所降低。 另一方面，要实现机构确实的运行，那么我们就必须按照工程上的相关标准来设计其电气设备包括控制电路、保护电路等等。 机械部分设计，我们要将现代化的语音识别技术融入到工程应用之中，实现语音控制技术从实验室到具体工程应用的跨越。 龙门起重机（俗称龙门吊）是减轻装卸工人劳动强度，改善工人操作条 件，提高装卸作业生产能力的大型起重和装卸设备，用途十分的广泛。 在铁路货运装卸、船泊长船段的吊装、工厂内部货物的搬运、港口码头装卸集装箱等等，都需要龙门起重机的参与。 为此我们机械部分选用龙门起重机来进行设计。 第三章 龙门起重机的电路图的设计 电路部分方案设计方框图 图 31电路部分方案设计方框图 如图 31 所示，电路部分方案设计方框图。 计算机输入控制信号到 USB4761控制卡，控制卡与接触器线圈相连，接触器线圈主触点与主控制电路连接，通过控制卡，就可控制线圈及其触点，进而控制主电路，在主电 路中可根据需要，实现启动、调速、正反转、制动等功能。 同时，输出机械装置上安装行程开关，行程开关用于检测机构是否运动到极限位置，行程开关与控制卡的数据采集端相连。 控制卡采集行程开关的信号，并把信号传输给计算机。 起重机电气概述 [6] 龙门起重机机构负载特点 起升机构属于恒转矩位能负载（对某一载荷下的负载，转矩不随转速变化，但在不同负载下的转矩是不同的）。 龙门起重机的起升机构，吊货上升时都是阻力负载；下降时多数是动力负载，但当空载或负载较轻，不是克服机构摩察阻力时，也会出现阻力负 载。 其负载图如图 32所示。 一般情况下，最大静负载转矩约为电动机额 定转矩的 ~ 倍。 龙门起重机一般在室外工作，当逆风运行时，除克服摩察阻力外，还要克服风阻力，通常是阻力转矩，最大静负载转矩经常小于电动机额定转矩的 倍。 运行机构负载图如图 33 所示。 对港口用龙门起重机，风阻力占静阻的比例相当大，最大可达 60%以上，因此，逆风运行时阻力负载；而顺风运行时，往往是由阻力里负载变成动力负载。 图 32起升机构负载图 图 33运行机构负载图 电动机的运行状态和机械特性 电动机的运行状态分电动状态和制动（发电）状态两种。 在龙门起重机中，当电机引进电能时，电机开始运转，将电能转变为机械能，这种运行状态称为电动状态。 比如起升机构起吊货物上升时，电机处于电动状态。 此时，电机的电磁转矩是正的，因为电磁转矩是帮助电机旋转。 经常处于电动状态的电机成为电动机。 当电动机上加上机械能，除去电机本身的损耗外，在电机内部转换成电能，这种运行状态称为制动（发电）状态。 如起升机构重载下降时，因货物本身的重量便会下降，为了防止过大的加速度，须加一反向力矩，该 力矩称为制动力矩。 此时电机的电磁转矩是负的，因为该转矩是阻止电机旋转。 在一定条件下，任何一台电机，都可以上述两种状态中的某一种状态。 根据电机运行时转速和转矩的关系式 n=f(M),可画成图线，成为电动机的机械特性。 电机运行在额定条件下（对感应电机来说，即在额定电压及额定频率时，而且在转子电路中又没有附加电阻），所具有的机械特性称为自然特性。 对于在其它情况（接入电阻、改变电压等）下的机械特性，通常称为人为特性，讨论人为特性的目的是为了使电动机的特性满足拖动机械的工作需要。 机械特性的硬度通常用机械特性对垂 直坐标轴倾斜角度 α 的正切来表示。 当点电动机的特性为直线时用下式表示： β =tgα =∆M/∆n，式中 β — 硬度系数（即曲线斜率）。 机械特性分为下列几类： 转速不依赖负载的大小而变化（图 34中的直线 1），同步电动机具有这种特性，此时，硬度系数  ； 转速随负载变化很小（图。