基于PID算法的語音智能小車設計

張敏麗 郭紅壯 于源華

摘 要： 本設計基于PID算法設計了一種智能語音控制小車，主要包括電機驅動模塊、語音識別模塊、單片機控制模塊。核心部分是采用STM32F101單片機和LD3320語音芯片實現語音智能控制，LD3320芯片對語音信號檢測和數據采集，并將數據傳送給STM32F101單片機，STM32F101單片機對語音信息進行分析，實現對小車的智能控制。系統主要硬件電路包括主控模塊電路、語音通信電路、電機驅動電路。軟件設計主要包括單片機語音通信程序、數據處理分析程序、電機驅動程序、PID算法的實現。使用L298N電機驅動以及5V直流電機，采用PID算法可以方便、靈活控制速度。在各模塊的軟件設計與仿真之后，經過各模塊實物的制作以及測試，完成了智能操控系統兒童電動車的制作。語音識別距離范圍5m;實現小車前進、后退、左轉、右轉、加速、減速等功能。

關鍵詞： PID算法;STM32F101;LD3320;L298N;語音控制

1 系統結構

1.1 系統整體結構

本次設計中主要包含四個主要部分：語音芯片對語音正確的識別、單片機對關鍵詞的匹配、控制信號的發送、驅動電路驅動電機。

總體框圖如圖1所示：

1.2 系統硬件設計

在本設計中，硬件電路主要包括四大模塊：語音芯片電路、單片機控制電路、驅動電路和電源電路。

1.2.1 主控模塊硬件電路設計

按照此次設計的要求，開始對芯片種類的查找，翻看資料進行優缺點比較，要使用STM32作為本設計的主控芯片。STM32系列位微控制器使用來自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核，特別設計適用于集性能高、功耗低、實時應用、競爭性價格具有優勢于一體的嵌入式領域[1]。

本次設計采用的STM32F101R8T6芯片，STM32芯片的脈寬是由兩種不同的寄存器通過確定頻率和根據占空比產生PWM信號來調節的。輸出三種PWM邊沿對齊模式來實現設計要求。使PWM控制信號的輸出更加方便，因此可按照需要選擇使用。組成STM32的最小系統電路有電源電路、復位電路以及振蕩電路等。51個GPIO，所有I/O口都可以連接到16個外部中斷;3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數的通道和量編碼器輸入，1個16位帶死區控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器，2個看門狗定時器——獨立的和窗口型的[2]。

1.2.2 語音信號檢測電路設計

本設計采用的語音芯片是LD3320語音芯片，LD3320芯片是一種語音識別專用的集成芯片，無需提前錄入和模擬訓練，不會限制特定的語音信息，能夠快速可靠并準確的識別關鍵詞。每次在程序中可寫入50個關鍵詞組，可以是單字、詞組或短句，識別句的內容可隨時修改，輸入語音信息后，語音芯片會按照關鍵詞組一一比較。該芯片中包含了關于語音識別處理的一系列結構和外部電路，包括AD/DA轉換器、麥克風接口、聲音放大器、聲音輸出接口以及LED燈監測系統等。不需要外接輔助的Flash和RAM，使用方便[3]。語音識別后的結果數據存儲在寄存器中，寄存器是暫存數據、指令和地址的，數據的傳遞都是通過對寄存器的操作來完成數據發送和數據接收的。例如在進行語音識別的時候，存儲要匹配識別的關鍵詞語列表，設定輸入信號的識別模式，識別過程完成后獲取的識別結果都是通過讀/寫寄存器來完成。在LD3320語音芯片在對語音檢測時，可以對干擾噪音時間進行判斷，根據時間長度可以檢測出指令是否終止。該芯片與STM32控制器之間的通訊方式可以采用并行通信或SPI通訊的方式，本設計中選用并行接口通信，因為當單片機接收語音芯片發送的數據時，必須先將串行數據通過并行數據，然后再輸入到單片機。會產生誤差，影響識別的精確度。當單片機需要向驅動電路發送控制信號時，也需要將數據轉換成二進制數，并行傳送。語音模塊電路圖如圖2所示：

1.2.3 電機驅動模塊

電機使用2個有刷直流電機，高轉速控制靈活簡便。L298N是雙H橋驅動電機芯片，內含四通道邏輯電路，可以用來驅動一個兩相步進電機或兩個驅動電機、繼電器線圈等感性負載，是專門用作驅動的集成電路[4]。最高輸出電流為4A，最高工作電壓為50V，在本設計中，輸出電流為2A，輸出電壓為5V，該電路可以外接檢測電路，將變化量反饋給單片機電路。有四種電機控制模式：正轉/反轉/制動/停止;可對直流電機進行PWM調速。

1.2.4 電源模塊

在本次設計的電路中，對L298N驅動芯片和對電機的驅動電源都采用5V供電，而單片機和語音芯片通過TTL轉換接口采用轉換出來的3.3V進行供電，又因為單片機要給驅動電路發送控制信號，所以單片機和驅動電路的連接就是將兩個模塊的GND連接在一起，實現通信。可以用三節AA電池供電，也可采用充電寶電源通過穩壓芯片供電。由于不斷調試耗費電池量大，而且充電寶優可提供穩定的5V電壓，環保且高效的給小車提供動力。所以選擇充電寶供電。

2 系統軟件設計

2.1 STM32控制系統軟件設計

STM32控制系統程序采用C語言編程，KEIL開發軟件進行開發。首先進行初始化操作，將控制系統各個模塊進行初始化，包括語音交互模塊、觸摸屏模塊以及串口通信的軟件初始化。當按下啟動開關后才可正常工作，在工作時，當有語音輸入時，語音識別模塊對關鍵詞一一分析比較，系統便會根據關鍵詞對應控制小車來實現不同的動作，LD3320芯片最多可以對50個關鍵詞進行識別處理，因此可實現50種不同的控制動作。文中對智能小車的動作測試只有六種，如果以后要增加其他功能，可以根據設計要求繼續添加。

2.2 語音數據采集的設計

語音識別的操作順序是：語音輸入LD3320音頻處理器進行處理，音頻采樣錄入識別列表，保存在存儲器中，MCU讀取存儲器，與關鍵詞相匹配開始識別，識別結果發送給單片機。并準備好中斷響應函數，打開中斷允許位。在本次設計中，起初采用的就是觸發方式識別配合按鍵控制的，但由于每次啟動識別都需要重復按鍵，所以就優化了識別方式，改用了循環識別，使其更加智能化。

3 自整定模糊PID的算法實現

本設計采用PID調節方式來實現小車的運動狀態的變化。傳統的PID控制結構如圖4所示：

在過程控制中模糊控制器與PID控制器的結合控制成為了很重要的研究方向。在本設計中，模糊控制在整個復合控制器中起輔助控制的作用，本質為PID控制器。主要利用模糊控制器的反模糊化輸出來調節PID控制器的三個參數，從而使PID控制器的三個參數能夠自調整達到提高控制性能的目的[5]。以模糊控制器來輔助PID控制器的模糊控制原理如圖5所示：

模糊控制器的輸入為預設值r（t）與反饋值得到的偏差e（t）以及偏差變化率Δe（t），輸出經模糊控制器得到3個參數的增量ΔKp，ΔKi，ΔKd，再與預先整定的PID控制器的3個參數Kp0，Ki0，，Kd0求和。Kp=Kp0+ΔKp ;Ki=Ki0+ΔKi;Kd=Kd0+ΔKd。

這樣就實現了Kp，Ki，Kd的參數變化整定，進而根據被控對象的特點變化而產生改變提高性能指標。

4 結語

主要闡述了語音控制的智能小車的總體設計思路和系統框架結構，主要完成了智能語音小車的軟硬件設計，并畫出了軟件流程圖。并采用模糊控制PID算法對直流減速電機的轉速進行控制。在上位機繪制PID曲線方便PID參數整定。將分模塊和整機分別進行測試，結果顯示該系統運行穩定，精確度較高，具有一定的抗干擾能力，可被廣泛應用在教學、智能玩具和搬運等場合，有很好的實用價值[6]。

參考文獻：

[1]楊婉榮.PCR儀溫度控制系統的研究與設計[D].西安工業大學，2014.

[2]蔣鳴東.利用STM32實時溫度采集及無線傳輸設計[J].電腦知識與技術，2013，9（12）：2929-2933.

[3]鄧天金，王昭武，余達.基于單片機控制的多功能智能語音風扇[J].電子世界，2017（23）：21-22.

[4]肖順梅.智能康復訓練器控制系統的設計與研究[D].南京理工大學，2015.

[5]彭少康.PCR儀溫度檢測與控制系統的研究與設計[D].南華大學，2016.

[6]冷雪鋒.基于PID的STM32智能小車機器人的設計[J].自動化技術與應用，2016，35（11）：122-127.

*通訊作者： 于源華。