基于Arduino UNO無線語音識別智能機器人的設計與實現

楊鈺林　權偉　趙濤

摘要：本設計采用Arduino UNO控制器作為檢測和控制核心，配合凌陽SPCE061A單片機的語音識別技術結合現代語音合成技術，通過RB無線藍牙模塊實現信息傳輸，語音控制機器人進行可變速前進、后退、左轉、右轉、測距播報等功能。可搭載多種傳感器，適應復雜環境勘探作業的需要。

關鍵詞：Arduino UNO;SPCE061A;語音識別;藍牙

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0171-01

1 設計背景

基于物聯網、云計算、大數據的當今社會，對人工智能、AI技術的全方面普及，智能制造技術占領了時代發展的潮流尖端，機器人的智能化已成為當代機器人設計的主要目標，它所涉及的學科包括機電一體化技術、機器視覺技術、無線通信技術、智能控制技術、仿真技術、網絡技術等等。機器人的技術水平可以反映出一個國家的科學技術水平，特別是測控技術的發展水平。如何使機器人具有語言、感覺、運動功能，在某些領域取代人工勞動，是智能機器人研究的主要目的之一。

隨著現代科學和計算機技術的發展，人們在與機器的信息交流中，需要一種更加方便、自然的方式。語言是人類最重要、最有效和最方便的信息交流方式，人類通過語言相互溝通，據統計，在日常生活中人類的信息交流約有75%是通過語言來完成的。這就很容易讓人想到能否用自然語言代替傳統的人機交互方式，如鍵盤、鼠標、手寫或按鍵輸入等。人機語言交流需要機器具有聽覺，能“聽懂”人類的語言，這就是機器的語音識別功能。

2 系統整體設計

無線語音識別智能機器人采用Arduino UNO控制器作為檢測和控制核心，配合凌陽SPCE061A單片機的語音特色，利用系統的語音資源，通過RB無線藍牙模塊實現語音控制機器人前進、后退、左轉、右轉、測距播報等功能。通過搭載傳感器，可以實現循跡、避障、超聲測距播報等功能。無線語音識別智能機器人預留多種傳感器接口：如光線傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等，為機器人在后續功能上的升級擴展提供了極大的便利性。無線語音識別智能機器人的系統架構如圖1所示。

3 系統硬件設計

無線語音識別智能機器人的硬件結構主要分為機器人端和操作端兩部分：

機器人端的核心控制板是Arduino UNO，通過從各種傳感器中收集具體的環境參數，經過PID算法處理，輸出相應的控制信號到電動機驅動電路，對操作端的指令做出相應的反饋動作。機器人端主要包括：

3.1 超聲波傳感器

通過超聲波傳感器的感應，在停止狀態下可以播報與障礙物之間的距離，有效探測范圍約為1cm-500cm。通過信號發生器產生超聲波，按定向式65度圓錐偵測，遇到障礙物后，反射回接收器端口，響應信號，距離測算公式為：

測試距離=高電平持續時間/340（m/s）*0.5

3.2 預留傳感器接口

預留的接口包括光線傳感器、聲音傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器等多種傳感器接口，為機器人在后續功能上的升級擴展提供了極大的便利。

3.3 無線藍牙模塊

通過設計藍牙模塊一主一從，進行使用GFSK調制方式配對，實現與操作端之間的通信和無線數據傳輸，在空曠地帶，收發距離可以達到20-30m，在短距離的局域網通信中，發揮不可替代的優勢。

3.4 Arduino UNO控制器

無線語音識別智能機器人的檢測和控制核心，Arduino既能脫離電腦獨立運行，也能在運行時和電腦中運行的程序進行通訊對話。在應用領域上，還能通過搭載各種傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達、WIFI傳輸、無線攝像頭和其他的裝置來反饋、影響環境。除此之外，它能夠兼容傳感器擴展板v5.0并且能用它額外的端口適應新的擴展板。可以采用 USB 接口供電，不需外接電源，也可以使用外部 DC 輸入，使用更為方便。

3.5 直流電機驅動器

用于驅動直流減速電機或雙極性步進電機，能夠同時驅動4個直流電機工作，通過定義PWM調速接口，設定模擬值，使直流電機運轉，實現前進、加速前進、后退、左轉、右轉、停止的功能，使機器輕松應對不同的工作環境。

3.6 舵機

作為無線語音識別智能機器人的電機，其內部采用的電機為直流有刷空心杯電機，內部采用無鐵轉子，具有能量轉換效率高、激活制動響應速度快、運行穩定性可靠、自適應能力強、電磁干擾少的優點。

操作端包括凌陽SPCE061A單片機套裝和無線藍牙模塊，通過凌陽SPCE061A單片機完成操作者語音輸入識別并轉化為可識別的機器語言，傳輸給無線語音識別智能機器人。

4 系統軟件設計

無線語音識別智能機器人預設了5條命令和語言參考模型庫，通過開機啟動，按提示輸入語言指令，讓機器熟悉語言環境，通過特征提取，學習訓練、模式匹配來匹配語言模型庫，進一步改變成為機器語言，配置端口的電平高低，驅動電機工作。在接收到操作人員發出的語音指令時，語音識別系統給予回應，通過預先設定好的程序配置單片機引腳的高低電平，進而控制機器人的行為動作。

5 結語

無線語音識別智能機器人是通過語音來控制機器人的工作狀態，實現軟件和硬件之間的相互協調，人機交互是本設計的要點。

通過擴展各種傳感器，無線語音識別智能機器人可以實現自動判斷工作環境及狀態，并且自動調整工作方式，并且將工作環境中的不同狀況通過語音方式傳送給操作者，與操作者之間進行溝通，真正的實現像人一樣通過協作和思考來進行工作。

Design and Realization of Intelligent Robot for Wireless Speech Recognition based on Arduino UNO

YANG Yu-lin，QUAN Wei，ZHAO Tao

（Jiangsu Vocational College of Information Technology， Wuxi? Jiangsu? 214153）

Abstract：This design uses Arduino UNO controller as the detection and control core， with SUNPLUS SPCE061A MCU speech recognition technology combined with modern speech synthesis technology， through RB wireless bluetooth module to achieve information transmission， voice control robot for variable speed forward， backward， left， right turn， ranging broadcast and other functions. It can be equipped with a variety of sensors to meet the needs of exploration in complex environments.

Key words：Arduino UNO;SPCE061A;Speech recognition;Bluetooth