基于語音控制的智能電動汽車研究

敖 勤，龍 洋，邱志華

（江西水利職業學院，江西 南昌 330013）

1 語音識別

1.1 語音識別概述

語音識別技術就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉變為相應的文本或命令的高技術。語音識別技術可以分為兩類，（1）對特定發音者的模式識別，使用者使用前需要進行簡單的訓練；（2）對非特定發音者的模式識別，使用者無需訓練即可使用，并可以進行識別，任何人皆可隨時使用此技術。

在工業生產與生活中，電動汽車作為最常用的行走機構得到了廣泛的應用。將語音識別技術應用于電動汽車，賦予其聽覺功能，能夠接收和識別人類的語音信號，轉換并執行相應的動作指令[1]。語音識別技術讓電動汽車更加智能。

1.2 語音識別原理

語音識別本質上是一種模式識別行為，基本原理是先分析聲波中各種頻率的組成及其頻率的時變模式，再結合語音數據庫中的數據進行匹配運算，得出“語音”所包括的語言信息。語音識別的重要步驟包括聲音信號的預處理和特征提取、訓練建立參考模式庫及模式匹配等，其基本結構如圖1所示。

圖1 語音識別系統框圖

語音信號首先經過預處理（含AD轉換）變成滿足要求的離散數字信號；然后對其進行頻譜分析，提取出語音信號的參數化表示（或稱待識別未知模式），通常是由特征矢量構成的特征矩陣；在識別過程中，再把此模式和數據庫中的參考模式進行比較；最后由識別決策來決定是否識別，并給出結果[2]。

預處理是指語音信號號在采集后首先要進行濾波、A/D變換、預加重及端點檢測等措施，然后才能進入識別、合成及增強等實際應用。

特征提取部分的作用是將聲音信號從時域轉換到頻域，為聲學模型提供合適的特征向量。

訓練是對預先收集好的海量語音、語言數據庫進行信號處理和知識挖掘，獲取語音識別系統所需要的“聲學模型”和“語言模型”。

模式匹配是所有環節的關鍵點，其作用是將輸入的語音特征與聲學模型（模式）進行匹配與比較，得到最佳的識別結果。

2 電機驅動原理

本文采用直流電機的驅動電路，能夠驅動直流電機，在單片機的控制下，使電機獨立正轉、反轉或停止。為了使電機驅動電路和單片機控制電路電氣隔離，可以采用光電耦合器連接這兩部分。這可以使電機和控制器分別供電，單片機的IO口線連接，控制電機的正反轉，單片機的一根IO口線連接電機，對電機的轉速進行控制。

當電動機出現故障時，其保護電路能夠及時發現并排除故障，保證電機能夠正常地運行而不受損壞。其保護電路分為過電流保護、欠電壓保護、剎車保護及過電壓保護。為了能夠快速響應，采取中斷方式實現。

當電動機出現過電流時，單片機能夠檢測出來并作出反應，其工作原理是通過電阻R17取出電流信號，并把電流信號轉換為電壓信號；當電流過大時，LM321輸出端就會由高電平變成低電平，通過數字信號處理，轉換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產生中斷。

當電動機出現過電壓時，單片機能夠檢測出來并作出反應，其工作原理是電源電壓是通過電阻R37取出電壓信號；當電壓過大或大于38 V時，Q6由截止變成導通，輸出端就會由高電平變成低電平，通過數字信號處理，轉換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產生中斷。

當電機正常工作時，由R8取出電壓信號為4.9 V；當電動機剎車時，其電壓被短路，其輸出由高電平變成低電平，通過數字信號處理，轉換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產生中斷。

當電源電壓過低時，單片機能夠檢測出來并作出反應，關斷電壓，使電源停止供電，使電源不至于發電過多而影響下次的使用，保護電源，其工作原理是電源電壓通過電阻R22、R29、R33取出電壓信號，當電壓過小或小于31 V時U8D輸出端就會由高電平變成低電平，通過數字信號處理，轉換為中斷信號，并傳輸給單片機，使其產生中斷。L298N電機驅動邏輯控制如表1所示。

表1 L298N電機驅動邏輯控制

根據電機驅動邏輯功能表，通過改變單片機IO口高低電平變化，可以方便實現電動汽車前進、后退、左轉、右轉及停止。

3 電動汽車速度控制

脈寬調制（PWM）是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調制周期來實現。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[3]。

電機的驅動采用雙向PWM脈寬調制方式控制，電機驅動電路如圖2所示。采用這種控制方式可以方便地實現電機的正反轉和轉速變化，其工組原理為當P1.0端口為高電平、P1.1端口為低電平時，三極管Q5導通，Q5導通又導致Q3和Q2導通，則電流從電源通過Q2、直流電機和Q3構成回路；當P1.0端口為低電平、P1.1端口為高電平時，三極管Q6導通，Q6導通又導致Q4和Q1導通，則電流從電源通過Q1、直流電機和Q4構成回路，且電流方向和前面相反，即電機轉向發生變化。通過控制P1.0口和P1.1口電平的高低和高電平導通的時間，可以控制電機的正、反轉和轉速[6]。

4 語音控制電動汽車

4.1 語音控制模式

本課題使用的語音模塊如圖3所示，是一款非特定人語音識別模塊，無需編程，用戶無需深入了解語音識別的原理，簡簡單單的拼音設置即可識別，并會通過串口識別結果。但是語音識別都會存在誤識別的情況。例如，平時談話時出現了和命令相似的發音，模塊會誤判。以目前的語音識別的技術，誤判情況還不能被消除，故本模塊嵌入了3種識別模式。

圖2 直流電機PWM驅動電路

圖3 語音模塊說明

4.1.1 循環檢測模式

這個模式下模塊是不停檢測周圍的聲音的，所以使用者任意時刻說對了指令都會被檢測并識別。這個模式的缺點是有比較大的誤識別（談話時出現了命令相似的語音，模塊就會誤判，可使用增加屏蔽詞的方法消除誤識別。），可應用于機器人問答或者對話玩具。

4.1.2 口令檢測模式

兩條指令控制一個動作。只有口令說完后的8 s內說出指令模塊才會識別，如果超過了8 s就要重新說口令。這種模式很大程度上解決了因模塊誤識別而造成電器誤動作，可以設置識別到口令的提示音，提示用戶在規定的時間內說出指令。

4.1.3 按鈕檢測模式

每按一次按鈕講出指令才能識別，8 s后要重新按按鈕才能識別。缺點是每次識別都要事先按一次按鈕、可以應用于家電控制、智能開關等。這種模式徹底消除了模塊的誤識別，可靠性高。

4.2 實驗過程

本課題選擇口令檢測模式進行實驗，實驗時對語音模塊接收裝置發出規定口令，如高速前進、中速前進、低速前進、高速后退、中速后退、低速后退、左轉及右轉等，觀察電動汽車的運行情況。實驗表明，電動汽車對語音指令完成相應的動作效果理想，但也存在一些誤判和不執行的情況，主要原因是環境噪聲以及聲音大小影響語音指令。后續完善措施包括語音指令的去噪聲處理、語音指令的豐富及相應的電動汽車執行動作的豐富。

5 結 論

本次設計是智能語音控制電動汽車兼有避障功能，主控制芯片采用STC89C52單片機，借助市場比較成熟的語音芯片，成功實現了語音控制電動汽車和電動汽車的自動避障的功能[4-5]。設計內容包括電動汽車硬件、軟件、語音識別單元及調試等。根據系統要實現前進、后退、左轉、右轉、速度控制（高速、中速、低速）、停車及避障等功能編寫出電動汽車端的軟件程序，最終電動汽車達到設計的基本要求。電動汽車雖然基本功能實現，但仍存在一些問題，控制的穩定性并不高，功能也比較簡單，仍需要不斷完善。