嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中語音識別技術(shù)

文/張燁 劉恒

目前市面上的大多數(shù)假肢主要是通過腦電信號與肌電信號來進(jìn)行控制的，不過，由于腦電信號的信息率低，而肌電信號又需要進(jìn)行復(fù)雜的信號處理，容易造成殘疾人的肌肉出現(xiàn)酸痛感，這也使目前市面中的假肢都存在一定的不足，這給殘疾人的生活帶來許多不便。為了彌補(bǔ)這些不足，本文將語音識別技術(shù)應(yīng)用于嵌入式假肢中，通過語音識別技術(shù)來對殘疾人的語音信號進(jìn)行識別，以此實現(xiàn)殘疾人對嵌入式假肢的控制目的。為此，以下便對嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中語音識別技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

1 嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中語音識別技術(shù)的研究

1.1 技術(shù)結(jié)構(gòu)分析

在嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中，語音識別技術(shù)在硬件結(jié)構(gòu)上分為語音識別芯片、擴(kuò)展電路以及功能模塊三個組成部分。由語音識別芯片對殘疾人所發(fā)出的語音信號進(jìn)行識別，并通過內(nèi)部語音識別程序來對語音信號進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送給功能模塊進(jìn)行執(zhí)行。

1.2 語音識別芯片

在嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中，語音識別芯片的型號為SPCE061A，該芯片高度集成了MCU、RAM、A/D、D/A與ROM，該芯片具有內(nèi)積運(yùn)算功能以及16*16位的乘法運(yùn)算功能。SPCE061A能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的數(shù)字信號進(jìn)行處理，其處理性能強(qiáng)大，價格低廉，而且能夠進(jìn)行中斷處理。語音識別芯片可對至少10個中斷源及中斷向量進(jìn)行有效支持，這使其在實時語音識別及處理方面有著非常明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，同時其還具有自動增益控制功能，這能夠使殘疾人通過麥克風(fēng)來進(jìn)行語音控制，從而大大提高了殘疾人對嵌入式假肢的控制便利性。

1.3 擴(kuò)展電路

在擴(kuò)展電路中，分布有語音采集電路、電源模塊、程序下載模塊、音頻輸出模塊、擴(kuò)展存儲模塊以及通信模塊，擴(kuò)展電路會通過語音采集電路來采集語音信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲至控制芯片中。而音頻輸出信號會將需要輸出的控制指令進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行語音輸出。電源模塊則能夠為系統(tǒng)的各個功能模塊提供工作電壓。擴(kuò)展存儲模塊能夠?qū)φZ音信號進(jìn)行外部Flash存儲。而程序下載模塊則是在控制芯片中寫入事先編好的程序，通信模塊用于實現(xiàn)PC端和控制芯片之間的通信。

1.4 功能模塊

在嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中，其功能模塊是通過電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動的，在其功能模塊中，主要包括電機(jī)主體、編碼器、位置傳感器、驅(qū)動器以及壓力傳感器。其中，驅(qū)動器負(fù)責(zé)對語音識別芯片所發(fā)出的信號進(jìn)行接收，同時還能接收編碼器的反饋信號，并可對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及啟停進(jìn)行控制。而壓力傳感器則可對假肢所受到的外界壓力情況進(jìn)行檢測，并利用轉(zhuǎn)換電路將信號向語音識別芯片，由芯片來處理反饋信息，并下達(dá)控制指令來對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2 嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中語音識別技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 語音識別程序

在嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中，語音識別技術(shù)的功能實現(xiàn)是通過語音識別程序來完成的。語音識別程序共包括四個組成部分，分別是API函數(shù)、語音源文件、初始化程序以及主控程序。在語音識別時，會先進(jìn)行初始化程序，然后在主控程序中調(diào)入API函數(shù)與語音源文件，然后由主控程序發(fā)出控制處理信號。在語音錄制過程中，首先要進(jìn)行語音采樣，該系統(tǒng)在定時中斷控制下通過8kHz來對采樣的語音信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的語音信號按照某種算法來進(jìn)行壓縮編碼，最后將編碼后的語音信號存儲到存儲介質(zhì)當(dāng)中。該系統(tǒng)在語音識別程序設(shè)計中，應(yīng)用了臺灣凌陽公司所錄制的SCAM-DVR函數(shù)庫，并對相應(yīng)的API函數(shù)進(jìn)行了調(diào)用。

2.2 語音識別流程

嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)中語音識別功能的實現(xiàn)，使其能夠聽懂殘疾人的語音命令，并根據(jù)語音命令的不同做出對應(yīng)的響應(yīng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同對象在說話時的依賴程度，將其劃分成兩種，一種是能夠?qū)μ囟ǖ臍埣踩说恼Z音命令進(jìn)行識別，其只能對特定的對象語音進(jìn)行辨認(rèn)，這需要?dú)埣踩诉M(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練后方可使用。還有一種是能夠?qū)λ袑ο蟮恼Z音命令進(jìn)行識別，不需要進(jìn)行特定的訓(xùn)練。此外，根據(jù)不同殘疾人的說話方式差異，語音識別技術(shù)既可進(jìn)行孤立詞識別，也可進(jìn)行連續(xù)語音識別，在孤立詞詞別中，只能對單個詞匯進(jìn)行單次識別，而在連續(xù)語音識別中，則可對正常說話中的語句進(jìn)行語別。此外，為了使嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)的語音識別準(zhǔn)確率更高，還應(yīng)用了特定人識別方式。該系統(tǒng)的語音識別功能實現(xiàn)流程如下：在訓(xùn)練過程中，嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)啟動后會對RAM進(jìn)行初始化，并由使用者進(jìn)行訓(xùn)練，系統(tǒng)會自動獲取訓(xùn)練結(jié)果，并提示訓(xùn)練成功，系統(tǒng)會自動建立使用者的語音特征模型。在識別過程中，嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)會在啟動后對識別器進(jìn)行初始化，并獲得識別結(jié)果，然后識別出語音命令，同時確認(rèn)語音命令是否能夠被執(zhí)行，當(dāng)不能執(zhí)行時，會重新獲取識別結(jié)果，如果能夠執(zhí)行，則會自動執(zhí)行相應(yīng)操作，從而完成整個識別過程。

3 結(jié)語

總而言之，本文針對殘疾人人群在日常生活中的種種不便，同時考慮到現(xiàn)有假肢在動作控制上存在的不足，提出一種以語音識別技術(shù)為核心的嵌入式假肢智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)埣踩怂l(fā)出的語音命令進(jìn)行自動識別，然后根據(jù)語音識別結(jié)果來做出相應(yīng)的動作，從而實現(xiàn)了殘疾人通過語音來控制假肢的目的，大大提高了殘疾人的生活質(zhì)量，并為殘疾人對假肢的控制帶來了很大便利，使殘疾人能夠具有更強(qiáng)的自信心重返社會。