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1、辨声转向智能玩具狗的理论设计与实践 郭琳 丰林 汤引生 商洛学院 摘 要： 智能玩具结合电子技术、信息技术和人工智能技术, 相比传统玩具更具市场应用潜力, 儿童乃至成年人都会被其智能化和参与互动性吸引, 以兴趣和科技引导孩子在玩耍中学习成长。这里设计的一种新型智能玩具狗, 核心部分由硬件部分和软件部分组成, 硬件包括基于 SPCE061A 单片机、语音识别模块、电源模块和电机驱动模块等, 软件包括基于 C 语言的语音识别程序、电机驱动程序、辨识程序、中断程序和 IDE 开发环境等。玩具狗能实现语音指令识别和电机控制, 完成机器狗的前进、后退、左转和右转的运动功能。玩具狗演示模型经过实测, 在外
2、界噪音不大、使用者语音指令清晰的环境下, 可以对操作者语音指令进行准确识别, 完成语音提示的预期动作。关键词： 机器人; 智能玩具狗; 辨声转向; 语音识别; 集成开发环境; 作者简介：郭琳 (1980-) , 男, 副教授, 硕士, 主要从事检测技术与自动化方面的研究工作。收稿日期：2017-03-29基金：商洛学院服务地方项目15SKY-FWDF-002“智能仿生机器人设计与商洛市中小学科技训练活动的应用”Design of Intelligent Toy Dog Steering with Sound DistinguishingGuo Lin Feng Lin Tang Yinshen
3、g Abstract： Compared with the traditional toys, the intelligent toys with electronic technology, information technology and artificial intelligence technology show more market potential. Because children, even adults, would be attracted by the intelligence and interactivity.And the intelligent toys
4、guide the children grow up in playing with interest and science. A new type of intelligent toy dog with core part composed of hardware and software is designed. Its hardware includes SPCE061 A, speech recognition module, power supply module and motor driver module; software includes speech recogniti
5、on program based on C language, motor driver program, identification program, interrupting program and the IDE developing environment.By distinguishing speech command, the toy dog controlled by motor can move forwards, backwards, leftwards and rightwards.The test showed that the toy dog demo model c
6、an recognize the operators clear speech commands accurately and complete expected actions in the outside with little noise.Keyword： robot; intelligent toy dog; steering with sound distinguishing; speech recognition; IDE; Received： 2017-03-290 引言机器人在广义上定义为一切模拟人的各种行为和思想或其他生物的机械设备, 例如机器狗、机器猫1。自上世纪初, 开始
7、研究和开发人形机器人, 到本世纪初包括四足或者多足机器人, 已经成为机器人应用领域里的主要研究分支2。研究资料表明, 四足是最适合在崎岖不平的山路上奔跑, 与两足相比增加了稳定性, 与六足相比减少了设计难度, 因此四足机器人在智能机器人领域占有巨大的比重3-4。关于机器玩具狗的开发, 是从机器人研究领域衍生出来的。2015 年 2 月 11 日, 谷歌公司旗下的波士顿动力公司 (Boston Dynamics) 研发了一个名叫 Spot 的机器狗, 由电和液压装置驱动, 能够独立行走、跑步、上楼梯, 甚至被踢后还能恢复姿势5。2014 年 6 月 9 日, 习近平主席在两院大会 (中国科学院、
8、中国工程院) 的开幕式上发表重要讲话:“在全球机器人产业激烈竞争的背景下, 我们要审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进, 不仅要把我国机器人水平提高上去, 而且要尽可能多地占领市场。”他的讲话为中国的人工智能机器人产业的发展和应用提供了方向6。机器狗是智能玩具行业普通的一份子, 却使传统的玩具焕发生机, 更容易得到儿童、老年人和青年人的喜爱, 特别对培养孩子的科技兴趣有很大推动作用7。在未来, 不仅是机器狗, 还有众多的智能机器人, 将会在人们日常生活中发挥巨大作用。在此对机器玩具狗技术领域进行了探索, 分析玩具狗四足支撑的稳定性, 在不同道路上的前进状态, 与两足、六足机器人比较优劣, 思
9、考怎样优化改善四足机器狗的机械性能。在电子方面分析了相关传感器的性能和相互最优组合方式, 了解了单片机的应用特点和性能, 最后选择轮式机器狗模式来设计一种辨声转向智能玩具狗。1 玩具狗语言识别原理与系统设计让机器人听懂人类语言, 代替人类完成工作, 一直是人们梦寐以求的事情, 人工智能技术正在不断满足机器人的设计要求。语音识别的主要目的是让机器人接收语音信号, 将其转化为数字信号或模拟信号, 产生相应文本或命令8-9。在语音识别的应用方面, 日本技术遥遥领先, SONY 公司生产的 AIBO 机器狗和本田公司生产的 ASIMO 机器人是该行业的领先者10。美国紧随其后, 2008 年麻省理工大
10、学展示了一款情感交流机器人 Nexi, 不仅能理解人类语言, 还能发出人类特有系列表情, 例如皱眉、眨眼和微笑等11。在此设计的玩具狗以凌阳科技公司生产的 SPCE061A 单片机为核心控制器12, 整体由硬件部分和软件部分组成, 硬件部分仿照小狗的身体构造, 设计轮式支撑和转动, 由 2 个电机组合控制并优化各个连接部件, 使玩具狗在软件控制下稳定地完成连贯的预编动作。语音识别系统流程如图 1 所示, 语音识别分为培训和识别两个阶段, 在培训阶段系统收集语音素材, 建立语音模型库13。在识别阶段系统接收外界的语音指令, 与语音库中的素材进行对比, 如果两者相似度达到阈值, 则这条指令可以被识
11、别。图 1 语音识别系统流程图 下载原图2 硬件设计玩具狗系统的 SPCE061A 单片机内部有语音识别模块和语音播放模块, 需要外接MIC 输入模块和语音输出模块, 系统的硬件设计主要由 SPCE061A 精简开发板和语音控制电路板组成, 如图 2 系统结构框图所示, 所包含的语音输入部分MIC、键盘部分 KEY、声音输出部分的功率放大环节等被集成在 61 开发板上, 为实验训练提供很大便利, 同时简化了玩具狗的占用空间。在控制板上采用了全桥控制技术, 如图 3 的硬件模块连接, 使用 4 个 I/O 接口, 实现两组电机的正转、反转、停止三种基本状态的驱动, 为设计玩具狗的预设动作奠定基础
12、。3 软件设计玩具狗软件的主要作用是完成系统编程的调试、下载和运行等。系统程序使用C 语言编写, 主程序工作流程如图 4, 完成系统硬件的初始化、对子程序的调用, 子程序的工作流程如图 5。通过系统程序实现玩具狗的控制, 控制程序采用语音指令控制和定时器中断控制两者相结合, 当输入语音指令时, 机器狗开始运行, 持续输入语音指令, 实现玩具狗的前进、后退、左转、右转等动作, 玩具狗每一次的动作中都包含定时器的运转, 当玩具狗在一些特殊情况下不能运作时, 在定时器计时完成后, 中断操作会让玩具狗停止运行, 此后, 又可以进行语音指令输入。图 2 系统结构框图 下载原图图 3 硬件模块连接图 下载
13、原图图 4 主程序工作流程 下载原图图 5 子程序工作流程 下载原图4 机体的驱动模式4.1 机体的驱动结构玩具狗的机体设计有两种, 其一是运用仿生学的原理, 采用舵机驱动, 实现类似宠物狗的四肢结构;其二是运用两个电机驱动四个轮子, 实现简单的行走功能1415。此次实践训练采用电机驱动设计, 如图 4 玩具狗采用 2 个电机驱动4 个轮子, 2 个电机均位于前轮, 各控制一个轮子, 带动后轮运转, 定义左前轮为 1 号轮子, 右前轮为 2 号轮子。也可以采用 4 个驱动轮, 玩具狗的动作将更灵活敏捷。电机驱动实现运动的方式:4.2 电机驱动图 6 1 号电机驱动电路图 下载原图1 号电机全桥
14、驱动电路如图 6 所示, 包含了 4 个 NPN 型三极管和 2 个 PNP 型三极管, 电感 R1、R2、R3、R4 的功能是稳定电流, 避免急增或急减的电流损坏三极管, 通过 IQB9 和 IQB8 可以控制电机 J3 的正反转, 玩具狗完成预期指令。2号电机全桥驱动电路如图 7 所示, 通过 IQB10 和 IQB11 可以控制电机 J4 的正反转。可以得出玩具狗的运转指令表 1, 前进过程, 1 号电机正转, 2 号电机正转;后退过程, 1 号电机反转, 2 号电机反转;左转过程, 1 号电机不动, 2 号电机正转;右转过程, 1 号电机正转, 2 号电机不动。图 7 2 号电机驱动电
15、路图 下载原图表 1 玩具狗运转指令表 下载原表 5 玩具狗的实践训练5.1 玩具狗演示模型玩具狗设计的材料包括基于 SPCE061A 单片机的 61 板、控制电路板、2 个电机、4 个轮子、电池盒和固定板等。设计好的智能玩具狗演示模型如图 8 所示, 训练步骤如下:首先, 将设计材料进行有序焊接, 完成硬件连接;然后用加载线连接机器狗和电脑, 在 IDE 集成软件开发环境的辅助下, 完成机器狗的程序加载和调试;接着完成调试后, 去除加载线, 使用声音指令完成小车的初次训练;最后对训练结果不满意时, 进行重新训练。图 8 智能玩具狗演示模型 下载原图图 9 训练工作流程图 下载原图5.2 实践
16、训练总流程玩具狗的实践训练总流程:第一步, 初始化 IQB8、IQB9、IQB10、IQB11;第二步, 对玩具狗进行初次训练, 建立语音模型;第三步, 玩具狗的指令识别;第四步, 重新对玩具狗进行训练, 重置语音模型。5.3 训练子程序对玩具狗进行训练时, 当检测到系统的训练标志位 (BS_Flag) 的内容为0xffff, 系统采用多次训练方式, 依次训练前进、后退、左转、右转这些动作, 训练完成后保存语音模型。每个过程开始时, 语音播放程序都会进行语音提醒。另外有中断子程序的流程, 在外界干扰或未识别语音指令的条件下, 玩具狗可能继续上一个指令运行, 此时定时器进行计时, 到达一定值时中断启动, 玩具狗停止运行。5.4 运行子程序玩具狗训练工作流程图如图 9 所示, 可以分为以下几个过程:第一步加载语音模型;第二步当输入语音指令时, 玩具狗进行辨识;第三步玩具狗进行语音指令的执行, 完成前进指令、后退指令、左转指令和右转指令;
