电子电路]基于语音识别的导盲机器人小车模型设计定稿

电子电路]基于语音识别的导盲机器人小车模型设计定稿内容摘要：

是一个双重随机过程，语音信号本身是一个可观测的时变序列，是由大脑根据语法知识和言语需要 (不可观测的状态 )发出的音素的参数流。 HMM 合理地模仿了这一过程，很好地描述了语音信号的整体非平稳性和局部平稳性，是较为理想的一种语音模型。 (Artificial Neural Networks， ANN) 人工神经元网络在语音识别中的应用是目前研究的又一热点。 ANN 实际上是一个超大规模非线性连续时间自适应信 息处理系统，它模拟了人类神经元活动的原理，最主要的特征为连续时间非线性动力学、网络的全局作用、大规模并行分江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 12 布处理及高度的稳健性和学习联想能力。 这些能力是 HMM 模型不具备的。 但 ANN又不具有 HMM 模型的动态时间归正性能。 因此，人们尝试研究基于 HMM 和 ANN的混合模型，把两者的优点有机结合起来，这也是目前研究的一个热点。 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 13 第 4 章 语音识别系统硬件 设计 语音识别系统在硬件方面 一共包括三大部分： 凌阳 61 开发板 ， 电机驱动模块 和 小车 车体 结构。 语音智能小车 大部分的功能都是在凌阳 61开发板上实现的，61开发板 不仅包 含了 SPCE061A单片机的最小系统还有实现语音识别功能所必须的各种外围电路 ； 电机驱动模块采用的全桥驱动电路方案，由 PNP8550和 NPN8050三极管 搭建 的电路 控制小车的运动状态 ；语音 小车车身采用的是普通的遥控赛车 ，将其中的遥控、接收模块拆除，仅仅保留车身的机械结构。 小车整体结构见图 41所示。 图 41 小车整体结构示意图 凌阳 61 开发板简介 61 开发 板是 SPCE061A EMU BOARD 的简称，是以凌阳 16位单片机 SPCE061A为核心的精简开发－仿真－实验板 （如图 42 所示） ，大小相当于一张扑克牌，是 台湾凌阳公司 专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。 61 板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和DAC 音频输出部分）、 下载调试电路 等，采用电池供电（功能分区见图 43）。 凌阳 61 开发板 电机驱动电路 红外传感器 车身 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 14 图 42 凌阳 61 开发板实物 图 43 凌阳 61 板功能分区 输入输出（ I/O）接口电路 61 板将 SPCE061A 的 32 个 I/O 口全部引出： IOA0~IOA15， IOB0~IOB15， 详见图 44， 对应的 SPCE061A 引脚为： A口， 41～ 4 5 54～ 60； B口， 5～ 81～ 7 68～ 64。 而且该 I/O 口是可编程的，即可以设置为输入或 输出。 二极管D1 的作用： 降压， 4 节电池的最大电压为 6V， D1 可以有效的降压； 起到保护作用，能够有效的保护 61开发板防止被电源烧坏。 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 15 图 44 I/O接口电 路 音频输入 电路 正如我们在前面介绍的 “61 板 ” 具有强大的语音处理功能，如图 45 所示，音频输入电路的核心为一个驻极体（见图 45 中 X1），采集声音的原理就是声波使得驻极体内的介质产生振动，其内部的电阻发生变化， MICN 两端的信号也随之发生变化，通过 SPCE061A 单片机内的信号比较器，就可以采集到声音信号。 凌阳 SPCE061A 单片机的声音采集频率为 8KHz，且具有自动增益（ AGC）功能。 AGC 电路详见图 45。 图 45 MIC录入及 AGC电路 在图 45 中，采集声音电路 的电源由 SPCE061A 的 VMIC（ 37脚详见管脚分布图）供给。 VCM 是声音信号进行数模转换时， ADC 参考电压输出引脚，接单片机的 34 引脚。 AVSS1 是电路板上的模拟地。 MICP 是扬声器的引脚的正极，连接单片机的 33 脚， MICN 连接扬声器的负极。 MICOUT 是扬声器的第一级运放输出引脚，江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 16 OPI 是扬声器的第二级运放输入脚。 此外，电路图中的电容及电阻的作用是滤波和限流，采集声音时去除噪声和干扰，提高声音信号的准确率。 语音放大模块 凌阳 61 开发板语音放大电路所用的功率放大芯片为 SPY0030A。 SPY0030A能在较宽的电压范围内正常工作， — 都能正常工作，双端输出模式，该芯片具有较低的失真率。 在 5V 供电电压，负载等效电阻为 8Ω 及功率放大器的输出功率为 500mW 的情况下，其失真率仅为 %。 维持该功率放大工作的最低电流仅需 1uA。 图 46 音频 放大电路设计 凌阳 SPCE061A 单片机具有两路 DAC 转换电路，在凌阳 61 板上采用的是 DAC1转换电路。 声音放大电路采用凌阳公司生产的 SPY0030A 功放芯片来放大语音信号，再外接一个小喇叭即可播放出声音。 其中 VDDH 连接单片机的 I/O 参考电压，电压值为 5V，为 SPY0030A 提供电源。 VSS 为数字地， AVSS2 为模拟地 2。 具体见图 46所示。 电源电路 好的电源设计是系统稳定工作的前提条件，特别是在凌阳 61 开发板这种有数字、模拟两部分电路的电路板中，电源部分的设计尤其重要。 整个小车模型共有 4 个电源信号，分别为：电池电源， 61 开发板工作电源、小车驱动电路电源、单片机 I/O 电源。 为了提高整个系统的工作稳定性，凌阳 61 开发板上的供电电源采用的是 SPY0029 电源芯片解决方案。 电源电路见图 47 所示 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 17 图 47 电源模块 61 开发板的电源从 J10 口接入，见图 36 所示， “61 板 ” 的内核 SPCE061A电压要求为 ，而 I/O 端口的电压可以选择 也可以选择 5V。 所以，在板子上具有两种工作电压： 5V 和。 对应的引脚中 1 36和 7必须为 , 对于 I/O 端口的电压 5 5 75 可以为 也可以是 5V，这两种电平的选择通过跳线 J5 来选择。 “61 板 ” 的供电电源系统采用用户多种选择方式： 供电 用户可以用 4节电池来供电， 5V 直流电压直接通过 SPY0029（相当于一般 稳压器） 稳压到 ，为整个 “61 板 ” 提供了 5V 和 两种电平的电压。 另外也可以直接外接 5V 的直流稳压源供电， 5V 电压再通过 SPY0029稳压到。 供电 用户可以提供直流 电压为实验板进行供电，此时整个板子只有 电压， I/O 端口电压此时只有一种选择。 语音智能小车车体介绍 智能小车车体结构设计 语音智能小车车身以普通遥控玩具小车为基础，如图 48 所示为四轮结构。 前面两个轮子为转向轮负责为小车提供转向的动力。 由 前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左 右摆动，来调节小车的前进方向。 在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。 后面两个轮子为动力轮负责为小车提供动力源， 后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力 ，如图 49 所示。 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 18 图 48 车体结构侧视图 图 49 车体结构俯视图 小车的行进原理 分析 模型小车共有四种基本运动状态，分别为前进、倒车、左拐、右拐。 ：由小车的结构分析，在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间状态，这是只要后轮电机正转小车就会前进。 如图 410 所示； ：倒车动作和前进动作刚好相反，前轮电机仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动，如图 411 所示； ：前轮电机逆时针旋转（规定为正转），后轮电机正转，这时小车就会在前后轮共同作用下朝左侧前进，如图 412 所示； 拐 ：前轮电机反转，后轮电机正转，这时小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进，如图 413 所示 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 19 图 410 小车前进原理图 图 411 小车后退原理图 图 412 小车左拐原理图 图 413 小车右拐原理图 直流 电 机 驱动电 路 设计 通过研究小车机械结构我们实现小车的行进状态的核心是实现对它的方向电机和动力电机的有效控制。 本设计的两个电机均为直流电机且基于现有的小车车体结构，只需对电机实现简单的正反转控制即可实现对小车行进状态的控制。 本设计采用三极管搭建的全桥电路实现对电机的驱动。 全桥驱动电路原理 全桥驱动又称 H桥驱动 ， H 桥一共有四个臂，分别为 B1— B4 ，每个 臂由一个开关控制，示例中为三极管 Q1— Q4。 如果让 Q Q2 导通 Q Q4 关断，如图 414 所示，此时电流将会流经 Q负载、 Q2组成的回路，电机正转。 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 20 图 414 图 415 图 416 图 417 如果让 Q Q2 关断 Q Q4 导通，如图 415 所示，此时电流将会流经 Q负载、 Q4 组成的回路，电机反转。 如果让 Q Q2 关断 Q Q4 也关断，负载 Load 两端悬空，如图 416 所示，此时电机停转。 这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。 如果让 Q Q2 导通 Q Q4 也导通，那么电流将会流经 Q Q4组成的回路以及 Q2 和 Q3 组成的回路，如图 417 所示，这时桥臂上会出现很大的短路电流。 在实际应用时注意避免出现桥臂短路的情况，这会给电路带来很大的危害，严重的会烧毁电路。 前后轮 电机驱动设计 动力驱动由后轮驱动实现，负责小车的 直线方向运动，包括前进和后退，后轮驱动电路是一个全桥驱动电路，如图 418所示： Q Q Q Q4四个三极管组成四个桥臂， Q1 和 Q4 组成一组， Q2 和 Q3 组成一组， Q5 控制 Q Q3 的导通与关断， Q6 控制 Q1 和 Q4 的导通与关断，而 Q Q6 由 IOB7 和 IOB6 控制，这江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 21 样就可以通过 IOB7 和 IOB6 控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。 IOB7 和 IOB6 不能同时置高电平，这样会造成后轮驱动全桥短路现象。 图 418 动力电机驱动电路设计 至于前轮转向电机，其电路和驱动电机的电路是一样的 ，如图 419 所示。 只是其控制端口为 IOB IOB5，且在 IOB4 和 IOB5 都为低电平时， 前轮 在弹簧的作用下保持在中间位置，所以通过控制 IOB IOB5以及 IOB IOB7 端口的状态组合就可以得到小车不同的运动方式。 图 419 转向电机驱动设计 结合以上对前轮和后轮的状态分析，得到小车的运行状态与输入的对照表，如表 31 所示： 江苏海事职业技术学院 2020 届专科生毕业设计（论文） 22 表 41 输入与小车运动状态对照表 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 后电机 前电机 小车状态 0 0 0 0 停转 停转 停 0 1 0 0 正转 停转 前进 1 0 0 0 反转 停转 倒退 0 1 0 1 正转 正转 左前进 0 1 1 0 正转 反转 右前进 1 0 0 1 反转 正转 左 后退 1 0 1 0 反转 反转 右 后退 1 1 * * 停转 * 禁止 * * 1 1 * 停转 * 红外避障模块设计 导盲智能小车在工作过程中要求不仅能够根据使用者的相关语音指令执行动作同时也要及时的避开障碍物并发出相关提示 声。 为了确定障碍物， 在小车上必须安装避障传感器进行 简易 避障 ， 一般障碍检测传感器的选择有两种： 红外避障传。