電動(dòng)輪椅智能控制器導(dǎo)航與情感陪護(hù)設(shè)計(jì)

祁鏝潼，包蓉，楊司杰，劉維勇

（江蘇師范大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，江蘇徐州，221116）

0 引言

本文介紹的電動(dòng)輪椅智能控制器，融入智能語音技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航和情感陪護(hù)，切實(shí)滿足電動(dòng)輪椅使用者的需求。

1 智能語音技術(shù)實(shí)現(xiàn)

智能語音技術(shù)主要承擔(dān)人與計(jì)算機(jī)之間交流溝通的任務(wù)，由語音識(shí)別、自然語言處理、語音合成三部分構(gòu)成。語音識(shí)別是將音頻信號(hào)變換為文本信號(hào)的技術(shù)手段。將語音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于智能電動(dòng)輪椅控制器上，可以準(zhǔn)確地識(shí)別老年人想要表達(dá)的意思，更好地滿足老人真實(shí)的心理訴求。自然語言處理主要解決人與計(jì)算機(jī)之間的交流問題，然而要實(shí)現(xiàn)自然語言處理還是較為困難的，它需要計(jì)算機(jī)有強(qiáng)大的計(jì)算能力以及處理數(shù)據(jù)的能力。語音合成是將各種不同文字形式的信息轉(zhuǎn)化成大家便于理解的口語的形式輸出給用戶。其基本流程如圖1所示。

圖1 智能語音技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程

1.1 智能語音模塊硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要包含以下模塊：語音輸入輸出模塊（TLC320AD50C）、主處理器模塊（TMS320VC5402）、存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊、供電模塊[11]。

（1）語音輸入輸出模塊：選用TI公司的TLC320AD50C能夠準(zhǔn)確快捷的實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

（2）主處理器模塊：選用TMS320VC5402芯片，該芯片的優(yōu)勢就在于有非常強(qiáng)的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)處理語音識(shí)別所需的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)主處理器安全高效的運(yùn)行。

（3）存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊：選用SST公司的SSTLE29010型號(hào)的存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器可重復(fù)擦寫，兼容性強(qiáng)，反應(yīng)迅速，能耗也比較低。

（4）供電模塊：通過低電壓的方實(shí)現(xiàn)芯片的低功耗。整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓分為核心器件和非核心器件兩種，前者采用5V電壓，后者采用1.8V電壓。

（5）TMS320VC5402（主處理器模塊）與 TLC320AD50C（語音輸入輸出模塊）接口設(shè)計(jì)：

接口選用多通道帶緩存串行口McBSP。該接口能夠?qū)崿F(xiàn)快速高效傳輸，不僅能單向傳輸還能夠?qū)崿F(xiàn)往返的雙向傳輸。該接口通訊機(jī)制為全雙工能夠連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)流，工作起來非常的高效便捷。

1.2 智能語音處理算法設(shè)計(jì)

智能語音處理算法會(huì)兼用匯編語言和C語言。兩種語言組合使用令系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)更加靈活高效。系統(tǒng)軟件主要模塊及其相關(guān)關(guān)聯(lián)性如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件主要模塊關(guān)聯(lián)圖

預(yù)處理：主要由預(yù)加重和分幀處理構(gòu)成。預(yù)加重的意義就在于使高頻信號(hào)的占比增加，從而使信號(hào)的頻譜趨于平緩，更有利于進(jìn)行下一步的頻譜分析。上述方法更有利于小詞匯量語音端點(diǎn)的監(jiān)測[6]。在自適應(yīng)閾值的情況下，能夠更加準(zhǔn)確的監(jiān)測出語音信號(hào)為進(jìn)一步的研究做好鋪墊。分幀處理：本質(zhì)上就是對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行切割劃分，約20ms為一幀。劃分的意義就在于能夠?qū)⒉环€(wěn)定的語音信號(hào)變得穩(wěn)定，使下面的操作更高效便捷。

MFCC參變量提取中的Mel濾波器組是針對(duì)平滑信號(hào)。為了使我們的頻譜更具普遍性我們選擇Log對(duì)數(shù)能量，除此之外它在防止數(shù)據(jù)溢出方面也起到較好的作用。離散余弦變換（DCT）運(yùn)算既可以使低維能量占比大幅增加，又可以減少相關(guān)信號(hào)的影響，從而使假設(shè)更具說服力。

模板匹配利用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃（DTW）算法通過已有的模板對(duì)要檢測的每一個(gè)詞條進(jìn)行最精準(zhǔn)的匹配識(shí)別。

2 系統(tǒng)導(dǎo)航功能設(shè)計(jì)

目前市面上的電動(dòng)輪椅智能化程度不高，仍需要用戶自行設(shè)定目的地位置以及位置確定。將智能語音算法引入，實(shí)現(xiàn)音智能導(dǎo)航，提高電動(dòng)輪椅的智能化程度，讓老年人不需要復(fù)雜的操作僅發(fā)出語音指令就可以操作輪椅，為老年人的出行提供方便。

要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能的研究設(shè)計(jì)要從以下幾點(diǎn)做出努力：

（1）環(huán)境感知：傳感器在實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知上起著至關(guān)重要的作用。用于環(huán)境感知的有溫度傳感器、光電傳感器、超聲測距傳感器、紅外傳感器以及電磁傳感器。單個(gè)傳感器難以獲得系統(tǒng)全面的環(huán)境信息，因而要綜合運(yùn)用上述傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境最準(zhǔn)確的感知[7]。

（2）定位技術(shù)：采用GPS和ZigBee相結(jié)合的方式。在戶外選擇GPS，GPS定位范圍廣且適應(yīng)性強(qiáng)；在室內(nèi)選擇ZigBee，該技術(shù)定位更加準(zhǔn)確，能精確到0.1米且性價(jià)比更高，兩者綜合起來可以實(shí)現(xiàn)定位的精準(zhǔn)快捷[13]。

（3）路徑規(guī)劃：本智能控制系統(tǒng)選用勢場法來進(jìn)行路徑規(guī)劃 。所謂勢場法即將地圖虛擬為一個(gè)勢場，將智能輪椅控制器看作勢場上的點(diǎn)[10]。目的地對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生引力，障礙物對(duì)它產(chǎn)生斥力。通過引力與斥力的共同作用指引智能輪椅控制器到達(dá)目的地。

3 系統(tǒng)情感陪護(hù)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

老年人在生活中經(jīng)常會(huì)感到孤單寂寞，普通的輪椅僅能在物理層面幫助老人活動(dòng)并不能代替人給予老人心靈上的關(guān)懷，因此在設(shè)計(jì)智能輪椅的時(shí)候考慮到將情感陪護(hù)融入其中。將語音識(shí)別、自然語音理解、自然語言生成、語音合成以及情感計(jì)算融合起來，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人的情感陪護(hù)。

具體實(shí)現(xiàn)：主要由麥克風(fēng)、流媒體服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及客戶端四部分組成。執(zhí)行流程圖如圖3所示。

圖3 情感陪護(hù)具體執(zhí)行流程圖

（1）麥克風(fēng)安裝在智能輪椅上用來收集音頻，麥克風(fēng)收集的音頻信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線傳輸給流媒體。

（2）流媒體驅(qū)動(dòng)將音頻信號(hào)傳輸給后臺(tái)，執(zhí)行邏輯處理、數(shù)據(jù)庫操作等任務(wù)。

（3）客戶端是人與計(jì)算機(jī)交流的主要平臺(tái)，本系統(tǒng)的客戶端主要是面向老年人。該客戶端的任務(wù)包括幫助老年人完成登錄注冊(cè)、進(jìn)行情感分析以及心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測等，讓老年人有更好地體驗(yàn)感。

智能輪椅在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意詞庫的構(gòu)建，讓智能輪椅控制器在與老年人聊天時(shí)選擇一些溫和型詞匯，選擇老人感興趣的話題，與老年人建立良好溝通。

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的集導(dǎo)航與情感陪護(hù)為一體的多功能智能輪椅控制器，充分發(fā)揮智能語音技術(shù)在導(dǎo)航以及情感陪護(hù)中作用。使老年人在智能輪椅控制器的幫助下不僅能實(shí)現(xiàn)行走上的便利，也能得到情感上的陪護(hù)。