新能源汽車后備廂智能語音控制系統設計

吳 勝 馮宇航 林 楠

（三亞學院，海南 三亞 572000）

1 引言

隨著汽車產業的大規模發展，汽車的價格越來越低，汽車的使用也越來越普及。隨著汽車保有量的增加，各種舒適系統的開發日新月異。汽車后備廂舒適性開啟方式逐漸引起人們重視，各種智能后備廂開啟系統逐漸應用到中高端車型中。目前智能后備廂開啟方式主要有智能鑰匙感應距離定位方式、多雷達捕捉人體動態探測方式、雷達距離探測方式、多電容捕捉人體動態探測方式、紅外線捕捉人體動態探測方式、后備廂底部腳踢傳感器探測方式等，目前以后備廂底部腳踢傳感器探測方式應用較多。但是，以上所采取的方式中都有不同程度的功能缺陷，主要體現在探測精度低、后備廂誤開啟、成本高以及部分產品使用不方便等問題。如距離感應方式，當有車主鎖車后從車身邊上走開時會有開啟后備廂的動作，當車主購物回來帶著較多物品時，用腳感應傳感器的開啟方式又不是很方便。這些問題的出現主要還是因為它們的控制方式單一，沒有應用雙認證導致的。因此，由特定語音控制開啟后備廂的方式必將成為未來后備廂開啟的新方式。

廣州市英頓汽車配件有限公司早在2017年前后就提出了“君子動口不動手”，用了1 天時間思考、立項，2 天時間開發，1 天調試，自主研發了一款英頓電動尾門，并在實際中得到了應用。英頓也就成為國內較早開展聲控電動尾門研發的單位，也吹響了智能語音開啟后備廂的號角。吉利汽車2020 款博越智尊PRO 車型也配備了語音控制后備廂功能，是國內較早將語音控制后備廂功能應用在汽車的廠家。特斯拉Model Y 可以利用蘋果手機軟件和Siri 打開后備廂，是最早在新能源汽車上應用智能語音控制后備廂的車型。

本設計采用STM32 單片機為系統核心控制板，以新能源汽車后備廂實物為依托，內置智能語音數據庫，當鑰匙在檢測距離范圍內時，系統實時采集語音指令數據，實現新能源汽車后備廂智能、精準的語音控制開啟和關閉。

2 系統硬件設計

針對目前智能后備廂控制采用的雷達距離探測等方式存在的不足，本文設計一款能夠識別特定聲音的新能源汽車后備廂控制系統。系統具有語音實時播報、特定語音識別、串口通信和智能人機交互功能，實現后備廂語音精準、可靠控制。需要對現有新能源汽車后備廂開啟方式進行機械改造，以適應該系統控制。自動開關的動力部分采用舵機控制，選用MG995，TBS2701舵機，扭力15公斤，用于控制后備廂開啟和關閉。當智能鑰匙在感應范圍內，并且系統檢測到特定語音指令時，串口發送控制指令給舵機進行后備廂開關操作。當語音模塊被喚醒，語音模塊會通過語音播放的方式對車主的指令進行確認，當得到車主確定回復時開啟或關閉后備廂。

2.1 系統架構選擇

系統以STM32 單片機為核心控制板，前端為采集外部特定語音信號的信號收集裝置，后端為舵機控制模塊，用于開啟和關閉后備廂。新能源汽車后備廂智能語音控制系統方案框圖如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

其硬件系統由電源模塊電路、STM32 核心控制板、工作模式選擇模塊、特定語音識別模塊、按鍵模塊以及舵機控制模塊等組成，系統硬件如圖2所示。

圖2 系統硬件

2.2 語音識別模塊設計

當鑰匙開關在檢測范圍內時，語音識別模塊被喚醒，等待車主發出后備廂喚醒指令。為實現特定聲音喚醒，確保非車主喚醒指令誤觸發系統工作，本設計采用云知聲智能語音芯片US516P6 進行設計。該芯片可以針對不同的場景需求配置不同的語音交互方案，自動生成SDK程序，支持喚醒詞自定義。系統集成了高精度AD/DA 轉換電路，智能AI語音識別技術，可以方便實現特定人員語音識別與人機對話功能[1]。通過出口電路實現與音響喇叭的通信，對識別結果進行實時反饋，其接口及電路如圖3所示。

圖3 語音識別模塊電路圖

2.3 工作模式選擇模塊設計

工作模式選擇是指對后備廂開啟方式的選擇，主要有兩種模式：傳統模式和語音控制模式。傳統模式是車輛最初配備的開啟模式，系統不干預原來的開啟方式。語音控制模式是系統接管了后備廂控制方式，通過控制系統實現語音識別控制。工作模式選擇采用撥碼開關來實現，撥碼開關實現電路如圖4所示。

圖4 工作模式選擇模塊電路

2.4 舵機控制模塊設計

舵機控制模塊是控制系統的末端，是系統開關后備廂執行機構的驅動電路，是集電機控制、伺服驅動、PWM 控制于一體的伺服控制單元，適合于各種對舵機控制精度要求較高的場合。PWM 的舵機伺服控制系統采用脈寬控制，以達到對電機行程的線性控制。該方案所選用的舵機基準信號周期為20ms，占空比范圍0.5 ms ～2.5ms，1.5ms 這個基準信號定義為中位信號[2]。按所給的脈寬不同，可以實現0°～135°開啟角度的控制，完全滿足后備廂開關角度，在實際使用中通過測試可以將舵機變換角度調整到不同車型所對應的合適范圍。舵機控制電路如圖5所示。

圖5 舵機控制電路圖

2.5 鑰匙信號檢測設計

鑰匙信號檢測功能使用原車提供的智能鑰匙檢測系統，該系統由基站（車身）和應答器（無線鑰匙）組成。鑰匙與車身實時通信，通信方式為基站實時發送搜尋報文，該報文能夠被信號范圍內的應答器所識別，一旦識別到，鑰匙就會反饋應答信號，實現身份驗證。身份驗證結果會反饋給ECU，實現開車門、開后備廂功能，我們設計的汽車智能后備廂系統接收該身份認證成功信號，作為系統實現聲控的前提，只有系統收到該認證成功信號后才能進行身份識別操作以及開關后備廂的動作。

3 軟件系統設計

軟件系統是控制系統的靈魂，具有支撐系統內部協調工作的功能，軟件系統的設計應該充分考慮到系統的兼容性、可操作性和人機交互的簡潔性。本系統軟件設計包含4個部分：系統主程序設計、語音識別程序設計、人機交互程序設計、語音播報反饋程序設計、串口通信程序設計。軟件系統結構框圖如圖6所示。

圖6 軟件系統結構框圖

3.1 系統主程序設計

新能源汽車后備廂智能語音控制系統上電后即可完成初始化工作，首先會播報當前后備廂狀態是打開還是關閉，同時播報當前系統工作模式。工作模式有兩種，一種是智能語音控制模式，一種是傳統控制模式[3]。傳統控制模式下，后備廂的開啟通過鑰匙開關或者汽車機械開關進行后備廂開關控制，同時發出語音提示。智能語音控制模式下，系統首先檢測是否有車主鑰匙接近，并識別其身份，當識別該鑰匙身份合法后，喚醒智能語音識別系統。此時，系統會通過喇叭詢問車主：“是否開啟/關閉后備廂？”并實時監測音頻輸入端口是否接收到特定語音信息，同時監測后備廂狀態。當語音系統檢測到車主發出的“打開/關閉后備廂”的確切指令后，系統進行指令合法性判斷，無誤后則執行打開/關閉后備廂操作。當語音系統檢測到否定內容或者為不合法身份人員的語音指令時，則保持后備廂狀態不變，結束進程[4]。系統主程序流程圖如圖7所示。

圖7 系統主程序流程圖

主程序如下：

3.2 語音系統程序設計

語音系統上電后，首先開始對系統內時鐘、串口、定時器等進行初始化，開始等待語音助手喚醒指令，如果系統檢測到語音喚醒命令，則發出喚醒指令到系統，同時喇叭播報“智能語音控制模式”，然后系統進入循環檢測狀態，等待車主進一步語音指令[5]。當系統檢測到有效指令時，執行相應操作，檢測到無效指令，則保持系統狀態不變。語音系統程序設計如圖8所示。

圖8 語音系統程序流程圖

語音系統程序如下：

4 結語

本文所設計的新能源汽車后備廂智能語音控制系統由語音模塊、按鍵模塊、電源模塊、STM32核心板以及舵機控制模塊組成，系統采用降壓穩壓、語音識別、串口通信、人機交互等技術，實現了新能源汽車后備廂的智能語音控制，系統工作穩定可靠，語音識別準確率高，適合作為汽車后備廂語音控制開關使用。系統雖已實現自動語音識別控制功能，但仍然存在需要改進和完善的地方，如增加智能語音交互功能，使車主使用更安全。