服務型機器人控制系統設計

齊鳳爭+高圣偉+姚景文+李旭

摘要：隨著社會的發展，科技的進步，機器人時代已經不知不覺地來到我們的身邊。例如在一些公共場所（酒店、賓館、餐廳）都可以看見機器人的身影，它們的到來減輕了服務人員的工作負擔。相較于“傳統”的機器人，在互聯網的時代“服務機器人”的出現大大提高了機器人的“服務”能力。

關鍵詞：服務；機器人；控制；科技

1.引言

隨著社會的發展，科技水平的提高，機器人逐漸的走進我們的生活。生活中服務機器人備受人們喜愛。工廠巡檢機器人的面孔，餐廳有送餐機器人，并且在一些大型的場所（商場、酒店、會所）也可以看到服務機器人的身影。服務型機器人在當前的社會是備受歡迎的。在互聯網的時代下，機器人也可以受網絡的控制進而提升它的功能，因此本文提出基于網絡控制機器人設計思想。

2.總體方案的設計

本文提出利用網絡控制系統來對機器人進行控制操作。其具有兩種控制模式：一種是利用上位機的控制通過網絡對機器人進行控制，另一種是利用語音模塊通過語音識別算法來對機器人進行控制。而機器人的整體架構是基于總線控制思想進行設計的。

該控制系統架構采用設備、信息、控制三層總線控制模式，實現機器人控制系統功能設計，并利用相關的控制協議，分類、分級處理各種信息，滿足模塊化設計，簡化系統結構和功能配置需求。

3.系統控制的基本原理

利用Labview上位機運用TCP/IP協議，通過局域網與主芯片進行數據傳輸，主芯片通過485的通訊協議對子芯片通信，實現對機器人的控制。機器人還可以檢測當前環境信息，如溫度、濕度等，并通過語音播報或直觀的顯示在該界面上。通過上位機的語音輸入窗口，可以輸入文字，并發送給機器人系統，使得機器人在緊急情況下可以通過控制人員的控制而說出相應的語句。在上位機的界面上有測試數據的輸出窗口，可以得到下位機對上位機測試結果的反饋。

4.系統的軟硬件組成

4.1硬件組成

系統供電是利用12V電源通過穩壓芯片LM7805轉換為5V電源供電使用。按照DC/DC變換的原理來設計電路，其電路圖如圖3所示。

4.2軟件組成

根據機器人控制原理，軟件系統主要由主程序、語音辨識、電機驅動、傳感器程序四部分組成。主程序進行系統初始化，包括I/O口的輸入或輸出設定，語音辨識運行進行語音算法處理，電機驅動負責整個機器人的運動控制，傳感部分負責環境參數測量。

4.3語音識別算法

語音辨識算法是本設計的核心部分，通過對語音算法的改進，本機器人系統在人機交互功能上有明顯提升，更適合服務環境的應用。以下對機器人語音辨識算法進行分析。

4.3.1改進的維納濾波器算法

由于語音信號是隨機信號，若用一個固定的噪聲譜去估計先驗信噪比是不合理的。為解決這一問題，本文采用基于譜嫡及先驗信噪比估計的改進維納濾波器算法，此算法對帶噪語音信號通過譜墑進行端點檢測，并根據檢測結果對無聲段的噪聲功率譜進行動態更新，從而得到期望的先驗信噪比，提高除噪性能。改進維納濾波器的算法流程圖如圖4所示。

4.3.2算法步驟描述

（1）預處理

輸入帶噪語音信號，將輸信號進行分幀與加窗處理，利用譜減法降低噪聲，以提高輸入語音信號的信噪比。在起始階段，算出前幀信號的噪聲功率譜，做為動態估算的初值。

（2）端點檢測

將噪音信號利用譜墑法進行端點檢測，記錄語音信號有聲段的起始點和結束點。該步從源頭上抑制噪聲對語音識別系統的干擾，降低噪聲對語音信號端點檢測的影響。端點檢測的閾值（Ts）可以通過下面的方法獲得，即：

式3中α是一個經驗值，通常情況下約等于1.25。如果檢測結果表明，當前的輸入語音幀是在有聲段，則進入圖4中的步驟（3），進一步對該幀信號進行降噪處理。如果檢測結果表明，當前輸入語音幀處于無聲段，則進入步驟（4），對該幀信號進行噪聲功率譜的動態更新。

（3）維納濾波降噪

先估算當前幀的先驗信噪比，再通過公式計算維納濾波器的增益。然后將當前幀的功率譜乘以濾波器增益。即輸出降噪后的語音信號，可通過降噪后的語音信號功率譜通過傅里葉逆變換得到。

（4）噪聲功率譜更新

將當前幀數據與上一幀無聲片段的數據進行加權處理，即

式4中，第一項是由當前幀數據估計的噪聲功率譜，并且是用于調整當前幀與前一幀功率譜加權時權重的調整因子。顯然，無聲片段噪聲功率譜的動態更新可通過上式的加權平均實現。

5.結論

本文提出的基于網絡控制的服務型機器人，在控制方法、語音辨識方面作了有益的設計和改進，更適合服務行業的特點，能更好發揮服務機器人的優勢，具有巨大社會和經濟價值。

參考文獻：

[1].黃敦華，李勇，薛梅.校園內導游服務型自主移動機器人設計與實現[J].制造業自動化，2010，38（12）.13-16

[2].劉海濱.魯棒性語音識別的特征提取與模型自適應算法研究[D].東南大學博士學位論文，2004.

[3].徐玉華，張崇巍，徐海琴.基于激光測距儀的移動機器人新方法[J].機器人，2010，32（2）.25-28

[4].楊明，王宏.基于激光雷達的移動機器人的環境建模與避障[J].清華大學學報（自然科學版），2000，40（7）.117-121

[5].侴維超，盧翔，于凱妍，劉瀟瀟，陳守良.室內場所自主服務型機器人系統實現[J].計算機應用，2009（9）：46-49.