智能轮椅语音导航控制系统的设计

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1、中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 30 页1 引 言1.1 研 究 背 景目 前 ,助 老 /助 残 系 列 产 品 的 研 发 己 纳 入 国 家 863 计 划 之 列 ,可 见 此 类 产 品 的 重 要 性及 其 对 和 谐 社 会 建 立 的 战 略 意 义 。 智 能 轮 椅 作 为 助 老 /助 残 系 列 产 品 之 一,其 智 能 化 体 现在 多 方 面 。 其 中 ,为 其 提 供 一个 自 然 的 语 音 控 制 界 面 是 其 智 能 化 的 一个 重 要 体 现 。把 语 音 识 别 算 法 移 植 到

2、嵌 入 式 设 备 中 ,实 现 轮 椅 的 自 主 运 动 具 有 重 要 的 现 实 意 义 。对 于 硬 件 的 实 现 ,需 要 考 虑 实 际 系 统 的 需 求 与 成 本 ,以 避 免 资 源 的 浪 费 ,同 时 降 低 了 成 本以 提 高 性 价 比 。 轮 椅 语 音 识 别 控 制 系 统 是 属 于 一个 拥 有 几 十 个 词 的 小 词 汇 量 的 识 别 控 制系 统 ,系 统 要 求 上 不 在 于 大 词 汇 量 与 连 续 语 音 识 别 ,而 在 于 准 确 性 与 稳 健 性 ,对 此 选 择 一种 性 价 比 高 的 SOC 结 构 的 嵌 入 式

3、系 统 不 仅 可 以 大 大 减 少 了 芯 片 数 量 ,而 且 能 够 提 供 高 集成 度 和 相 对 低 成 本 的 解 决 方 案 ,同 时 也 使 得 系 统 的 可 靠 性 大 为 提 高 ,还 可 以 满 足 嵌 入 式系 统 对 体 积 的 要 求 。台 湾 凌 阳 16 位 单 片 机 SPCE061A 是 一款 性 能 良 好 的 嵌 入 式 微 处 理 器 ,具 有 体 积 小 、集 成 度 高 、 可 靠 性 好 且 易 于 扩 展 ,较 强 的 中 断 处 理 能 力 ,高 性 能 价 格 比 ,功 能 强 !效 率 高 的指 令 系 统 ,低 功 耗 、 低 电

4、 压 等 特 点1。 采 用 SPCE061A作 为 机 器 人 系 统 的 核 心 的 部 件 ,利 用其 所 具 有 的 语 音 处 理 和 DSP功 能 ,不 仅 可 以 对 机 器 人 的 语 音 控 制 ,而 且 还 可 以 快 速 地 对 语音 信 号 进 行 处 理 ,从 而 实 现 自 然 人 对 机 器 人 的 控 制 。本 文 采 用 SPCE061A作 为 轮 椅 语 音 控 制 系 统 的 核 心 ,实 现 了 轮 椅 的 前 进 、 后 退 、 左 拐 、右 拐 、 停 止 、 加 速 、 减 速 运 动 ,还 可 以 根 据 运 动 要 求 通 过 语 音 实 现

5、轮 椅 的 变 速 运 动 。 基于 SPCE061A的 语 音 控 制 系 统 结 构 简 单 ,性 价 比 高 ,易 于 功 能 扩 展 和 移 植 ,具 有 广 阔 的 应 用前 景 。1.2 国 内 外 研 究 现 状 与 发 展 趋 势国 外 对 智 能 轮 椅 的 研 究 可 以 追 溯 到 20 世 纪 80 年 代 ， 世 界 第 一辆 智 能 轮 椅 是 英 国于 1986 年 研 制 的 。 继 英 国 之 后 ， 其 它 国 家 也 投 入 大 量 经 费 开 始 了 智 能 轮 椅 的 研 究 ， 研发 机 构 大 部 分 为 高 等 院 校 和 科 研 机 构 。 当

6、 时 的 研 发 机 构 有 ： 美 国 麻 省 理 工 学 院 、 不 莱 梅大 学 、 德 国 乌 尔 姆 大 学 、 韩 国 高 级 科 技 研 究 所 等 24。 由 于 各 个 研 发 机 构 的 研 究 内 容 和 方中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 30 页法 不 同 ， 所 以 研 发 的 轮 椅 具 备 不 同 的 功 能 。各 大 研 发 机 构 中 研 制 的 功 能 比 较 齐 全 的 一款 智 能 轮 椅 是 由 美 国 麻 省 理 工 智 能 实 验室 研 制 的 。 这 款 智 能 轮 椅 是 在 电

7、动 轮 椅 的 基 础 上 配 备 了 PC 机 和 各 种 传 感 器 ， 此 轮 椅 具备 人 机 界 面 交 互 功 能 。 使 用 者 可 以 使 用 操 纵 杆 方 式 、 菜 单 方 式 或 者 用 户 界 面 接 口 方 式 对轮 椅 进 行 控 制 。 在 操 纵 杆 方 式 下 ， 用 户 通 过 控 制 操 纵 杆 来 控 制 轮 椅 的 各 种 运 动 并 且 可 以实 现 避 碰 ； 用 户 界 面 模 式 下 ， 用 户 可 以 使 用 鹰 眼 系 统 来 驱 动 智 能 轮 椅 的 运 动 。 该 轮 椅 在国 际 联 合 会 的 机 器 人 轮 椅 展 中 获 得

8、 冠 军 ， 并 且 是 唯 一不 需 要 人 来 指 导 就 可 以 穿 过 门 口 的机 器 人 。我 国 对 智 能 轮 椅 的 研 究 晚 于 世 界 其 它 国 家 ， 虽 然 在 机 构 的 复 杂 性 和 灵 活 性 上 和 国 外有 一定 差 距 ， 但 某 些 技 术 指 标 已 经 接 近 国 外 先 进 水 平 。中 科 院 自 动 化 所 承 担 了 “ 863” 智 能 机 器 人 智 能 轮 椅 项 目 ， 研 制 出 我 国 第 一台 多 模态 交 互 式 智 能 轮 椅 样 机 ， 该 样 机 采 用 嵌 入 式 控 制 系 统 。 该 机 器 人 轮 椅 名

9、为 NLPR， 具 有视 觉 和 口 令 导 航 功 能 并 且 能 够 与 人 进 行 语 音 交 互 ， 用 户 能 够 通 过 语 音 控 制 轮 椅 实 现 各 种运 动 。在 智 能 机 器 人 领 域 内 ， 目 前 有 一些 人 工 智 能 产 品 可 以 与 人 进 行 短 暂 的 对 话 ， 比 如 爱尔 兰 媒 体 实 验 室 开 发 的 名 为 “ 人 类 ” 的 新 型 机 器 人 ； 以 及 中 国 科 学 院 自 动 化 研 究 所 最 新研 制 的 表 情 机 器 人 “ 童 童 ” 等 。 语 音 识 别 技 术 在 机 器 人 控 制 领 域 的 应 用 体

10、现 在 语 音 控 制机 器 人 技 术 上 ， 因 此 ， 语 音 控 制 机 器 人 技 术 的 研 究 与 发 展 取 决 于 语 音 识 别 技 术 的 研 究 与发 展5。60 年 代 的 重 要 成 果 是 提 出 了 线 性 预 测 分 析 技 术 (Linear Prediction,LP)和 动 态 规划 算 法 (Dynamic Programming,DP)， 较 好 的 解 决 了 语 音 的 特 征 提 取 和 时 间 不 等 长 匹 配 问题 。 70 年 代 ， 人 们 对 语 音 识 别 技 术 的 研 究 开 始 了 飞 速 发 展 ， 研 究 重 心 为 孤

11、 立 词 语 音 识别 ， 并 取 得 了 突 破 性 成 果 。 动 态 时 间 归 整 技 术 (Dynamic Time Warping， DTW)基 本 成 熟 ，特 别 是 提 出 了 矢 量 量 化 (Vector Quantization,VQ)和 隐 马 尔 可 夫 模 型 (HiddenMarkovModel,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 语 音 识别 系 统 。80 年 代 ， 语 音 识 别 研 究 进 一步 走 向 深 入 ， 连 接 词 和 大 词 汇 量 连 续 语 音 识 别 成 为

12、 研究 热 点 ， HMM 模 型 和 人 工 神 经 网 络 (ANN)算 法 在 语 音 识 别 中 成 功 应 用 。 统 计 模 型 取 代 模中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 30 页板 匹 配 的 方 法 成 为 主 流 的 语 音 识 别 技 术 。 具 有 代 表 性 的 系 统 有 ： 1988 年 美 国 卡 耐 基 梅隆 大 学 (CMU)基 于 VQ/HMM 开 发 的 997 个 词 汇 的 非 特 定 人 连 续 语 音 识 别 系 统 SPHINX。90 年 代 ， 语 音 识 别 技 术 逐 渐 由

13、实 验 室 走 向 实 用 化 。 许 多 国 外 大 公 司 推 出 了 比 较 成功 的 大 词 汇 量 、 连 续 语 音 识 别 系 统 ， 比 如 IBM 的 ViaVoice 系 列 、 Microsoft 的WhisPer、 CMU 的 SPHINX-II， 这 些 系 统 大 多 都 采 用 了 隐 马 尔 可 夫 模 型 。目 前 具 有 代 表 性 的 语 音 识 别 方 法 主 要 有 特 征 参 数 匹 配 法 、 隐 马 尔 科 夫 法 和 神 经 网 络法6。 在 语 音 识 别 领 域 ， IBM 公 司 的 技 术 已 日 趋 成 熟 。 IBM 公 司 于 1

14、998 年 开 发 出 可 以识 别 上 海 话 、 四 川 话 和 广 东 话 等 地 方 口 音 的 语 音 识 别 系 统 ViaVoice 98， 其 平 均 识 别率 可 以 达 到 90%以 上 ， 是 目 前 最 具 有 代 表 性 的 汉 语 连 续 语 音 识 别 系 统 。我 国 的 语 音 识 别 研 究 工 作 近 年 来 发 展 很 快 ， 同 时 也 开 始 从 实 验 室 逐 步 走 向 实 用 化 。1987 年 开 始 执 行 863 计 划 ， 国 家 863 智 能 计 算 机 主 题 专 家 组 为 语 音 识 别 的 研 究 立项 。 从 1991 年

15、 开 始 ， 专 家 组 每 一两 年 举 行 一次 全 国 性 的 具 有 较 高 水 平 的 语 音 识 别 系 统测 试 ， 这 些 都 说 明 汉 语 语 音 识 别 研 究 已 经 走 上 了 组 织 化 的 道 路7。 目 前 ， 我 国 对 语 音 识别 技 术 的 研 究 在 某 些 领 域 已 达 到 国 际 先 进 水 平 。科 大 讯 飞 作 为 我 国 最 大 的 智 能 语 音 技 术 提 供 商 ， 在 智 能 语 音 技 术 领 域 有 着 长 期 的 研究 积 累 ， 并 在 中 文 语 音 合 成 、 语 音 识 别 、 口 语 评 测 等 多 项 技 术 上

16、 拥 有 国 际 领 先 的 成 果 。科 大 讯 飞 曾 在 国 际 英 文 合 成 大 赛 （ BlizzardChallenge） 上 夺 得 六 连 冠 ， 在 2011 年 的“ 2011NIST” 语 种 识 别 评 测 大 赛 上 获 得 国 际 亚 军 ， 为 中 国 科 技 界 赢 得 了 荣 誉 。从 各 大 公 司 、 各 研 究 机 构 的 语 音 研 究 项 目 来 看 ， 语 音 识 别 正 在 向 综 合 化 方 向 发 展 。总 之 ， 语 音 识 别 的 研 究 正 在 朝 深 度 和 广 度 不 断 发 展 。1.3 主 要 设 计 工 作1、 在 熟 悉 智 能 轮 椅 的 工 作 原 理 的 基 础 上 ， 进 一步 深 入 分 析 基 于 语 音 识 别 技 术 的 智能 轮 椅 导 航 控 制 系 统 的 运 行 原 理 ；2、 分 析 语 音 识 别 的 基 本 方 法 ， 进 行 系 统 总 体 设 计 ；3、 在 理 解 凌 阳 16 位 单 片 机 SPCE061A的 工 作 原 理