基于“香蕉派”的語音交互式機器人

摘 要 本文介紹了一款基于“香蕉派”全語音交互式的智能機器人，它能根據人的語言自動識別“行走”命令或“聊天”內容，并自主行走或與人智能交流。它以Banana PI開源硬件平臺作為控制服務器，通過訊飛平臺的語音識別和GPIO接口控制外置驅動器，實現語音交互式行走等基本功能。實驗證明該機器人能夠準確接收指令并做出反應，可靠性較高。并且無任何外設，使用方便。

【關鍵詞】香蕉派 行走機器人 語音交互 Banana Pi

“香蕉派”（Banana Pi，簡寫為BPI），與“樹莓派”類似，但是硬件配置更高、性能更強，對安卓（Android）系統的支持更好。其中，“樹莓派”（Raspberry Pi，簡寫為RPi/RasPi/RPI）是一款基于ARM的微型電腦主板，只有信用卡大小，其系統基于Linux。它以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有多個USB接口和以太網接口，可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能。

1 機器人系統簡介

本款機器人的特點：

（1）零設置、零輔助，不需要遙控器、手機等任何輔助設備，完全根據語音命令智能響應；

（2）智能化的人機聊天，隨著技術的發展即時提升智能化水平。

硬件可基于“樹莓派”微型電腦主板，采用3代B型，安裝Linux系統，使用C語言進行相應軟件開發。也可以基于“香蕉派”微型電腦主板，采用BPI-M3型號，安裝Android系統，相應軟件開發使用與Java相似度很高的Android開發集成環境。以“香蕉派”為例，描述本機器人的設計開發過程。

2 硬件實現

整個系統分兩步進行開發調試環境的搭建，首先是搭建“香蕉派”核心處理系統。其是一個袖珍的主板卡，但是“麻雀雖小，五臟俱全”，除去“香蕉派”主板外，還需準備一套標準通用的USB鍵盤和鼠標，一個顯示器用于開發調試（開發完成后可以拆除）。兩塊電池用于整個系統供電，最后還需要準備預裝了安卓系統的SD卡（對于SD卡要求讀寫最好在4MB/S以上、容量大于2GB）。

在完成核心處理系統的搭建后，再進行機器人外圍系統的搭建，首先利用訊飛平臺完成對機器人的“行走控制”或“聊天命令”的語音識別，然后利用“香蕉派”的GPIO接口，控制外置驅動器實現電機的使能、正反轉控制。整個系統的硬件框圖如圖1所示。

2.1 “香蕉派”系統板

“香蕉派”BPI-M3是一款8核高性能單板計算機，兼容“樹莓派”，還可以運行Android5.1、Debian linux、Ubuntu linux、Raspberry Pi系統。硬件配置為：1GHz ARM7 8核處理器，2GB LP DDR3內存，千兆以太網口，2個USB接口，支持2K高清視頻輸出。GPIO兼容Raspberry Pi B+，并能運行其ROM Image。開發板的正反面如圖2所示。

2.2 電機驅動板

本模塊使用L298N作為主驅動芯片，具有驅動能力強，發熱量低，抗干擾能力強的特點。其實物如圖3所示，其中：

2.2.1 +12V接入口

電壓范圍：+5V～+35V，使用航模電池供電。

2.2.2 電機接口

OUT1、OUT2為電機A輸出；OUT3、OUT4為電機B輸出。

2.2.3 IO接口

ENA和ENB分別為A、B電機的使能端，一開始ENA和ENB各自的上下兩個針腳是用跳線帽連接起來的，拔掉就可以接線了。IN1～IN4為IO控制輸入，與樹莓派的GPIO接口相連接。

2.3 系統板與電機驅動板連接

通過“香蕉派”的GPIO接口，控制電機驅動方向及速度，實現小車的前進、后退、變向。把電機接到L298N驅動板上面，然后把電池的正極接到12v接口，負極接到接地接口，5V輸入從香蕉派的GPIO2接入。IN1、IN2、IN3、IN4分別接“香蕉派”GPIO的11、12、13、15號接口。如圖4所示。

2.4 移動平臺

本機器人使用奧松AS-2WD鋁合金移動平臺，它是2輪驅動，可安裝多款直流電機與伺服舵機，并且可以搭載多款控制器、驅動器、傳感器和無線射頻模塊等。其外形如圖5所示。

2.5 電池與其它附件

電池供電使用兩種：一是10000mAH的充電寶，為“香蕉派”核心處理板供電；二是“格氏ACE 3S 11.1V 2200mAh 30C”無人機航模電池，為電機驅動板供電。“香蕉派”內置麥克，不需要外接，但是無內置喇叭，所以，通過音頻輸出口外接一個綠色球形音箱。

3 軟件實現

本機器人系統的軟件設計主要分為兩類，分別為實現流程框圖如圖6所示。

3.1 語音聽寫

3.2 語音識別

語音識別即語法識別，主要指基于命令詞的識別，識別指定關鍵詞組合的詞匯，或者固定說法的短句。語法識別分云端識別和本地識別，云端和本地分別采用ABNF和BNF語法格式。本機器人使用了云端識別，實現方法如下。

4 總結

經過各硬件模塊組裝及調試，本款機器人完成后的外觀如圖7所示。

經實際使用后，得出本款機器人的智能化程度較高，基礎功能已經比較完善。但依然存在諸多問題，系統多方面有待優化升級。

其中，由于香蕉派內置麥克拾音效果較差，影響了語音識別的質量，可選擇外帶設備提升性能；另外，限于時間原因，后續還需增加紅外避障和自動跟隨功能，紅外避障，就是能夠根據語音指令，自主完成避障行走。自動跟隨，就是在語音設定好跟隨模式后，可智能跟隨在人身邊，亦步亦趨。基于硬件電路圖像處理的視覺導航技術，高智能情感移動機器人等技術是移動機器人發展趨勢。

參考文獻

[1]王江偉.玩轉樹莓派Raspberry Pi[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[2]丁偉雄，楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及其單片機控制實現[J].煤礦機械，2005（06）.

[3]左國玉，劉文舉，阮曉鋼.聲音轉換技術的研究與進展[J].電子學報，2004（07）.

[4]徐國保，尹怡欣，周美娟.智能移動機器人技術現狀及展望[J].機器人技術與應用，2007（02）.

作者簡介

劉潤暄（2001-），男，山東省濟南市槐蔭區人。山東省實驗中學2016級。

作者單位

山東省實驗中學 山東省濟南市 250001