語音控制的智能小車設(shè)計

摘""要：設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的語音控制智能車系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控制器，配合語音識別模塊、紅外避障模塊、循跡模塊和無線通信模塊等的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了小車的自主循跡和語音控制功能。通過語音指令的識別和處理，實(shí)現(xiàn)對智能小車的進(jìn)退、轉(zhuǎn)向和停止等控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計的小車對指令的識別和動作執(zhí)行迅速、準(zhǔn)確，行駛穩(wěn)定，說明設(shè)計方法正確有效，可以應(yīng)用到其他類似的語音控制的場景，為無人駕駛汽車的研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：語音控制""STM32單片機(jī)""避障""循跡

中圖分類號：TN912.3;TP23

Design"of"Voice-Controlled"Intelligent"Vehicle

ZHANG"Yan

School"of"Information"Science"and"Engineering，"Dalian"Ocean"University，"Dalian，"Liaoning"Province，"116023"China

Abstract："In"this"article，"a"voice-controlled"intelligent"vehicle"system"based"on"a"microcontroller"has"been"designed"and"implemented."The"system"uses"the"STM32"microcontroller"as"the"main"controller，"working"in"conjunction"with"a"voice"recognition"module，"an"infrared"obstacle"avoidance"module，"a"tracking"module，"and"a"wireless"communication"module，"to"achieve"autonomous"tracking"and"voice"control"capabilities"for"the"vehicle."Through"the"recognition"and"processing"of"voice"commands，"the"intelligent"vehicle"is"controlled"to"advance，"retreat，"turn，"and"stop."The"experimental"results"show"that"the"designed"vehicle"quickly"and"accurately"recognizes"commands"and"performs"actions，"with"stable"driving，"indicating"that"the"design"method"is"correct"and"effective."It"can"be"applied"to"other"similar"voice-controlled"scenarios"and"has"laid"the"foundation"for"the"research"of"autonomous"driving"vehicles.

Key"Words："Voice"control;"STM32"microcontroller;"Obstacle"avoidance;"Tracking

信息技術(shù)的快速發(fā)展推動了汽車行業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，智能小車集成了前沿技術(shù)，成為智能制造的關(guān)鍵標(biāo)志，并在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。它不僅是技術(shù)創(chuàng)新，也極具教育實(shí)踐意義，在電子設(shè)計大賽和高校科研教學(xué)中占有重要地位。智能小車在功能、便攜性和應(yīng)用范圍上具有優(yōu)勢，預(yù)示著其未來有廣闊的發(fā)展空間。

1""整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了一種集成語音控制、自動循跡和避障功能的小車。硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、語音識別、避障、循跡和電機(jī)驅(qū)動模塊，如圖1所示。軟件方面，通過編程和算法設(shè)計實(shí)現(xiàn)了語音識別、循跡、避障等功能。

2""硬件電路設(shè)計

2.1""STM32最小系統(tǒng)

系統(tǒng)的核心是STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高性能控制器STM32F103RCT6為控制核心，和其他的外圍電路共同將傳感器中采集的信息進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)對語音控制小車的控制功能。STM32最小系統(tǒng)主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路等。

STM32晶振電路選擇32MHz的晶振。晶振的輸出連接到單片機(jī)的外部時鐘引腳，為單片機(jī)提供基準(zhǔn)時鐘信號。STM32復(fù)位電路用于控制單片機(jī)系統(tǒng)啟動和初始化的重要部分。它由復(fù)位電源、復(fù)位按鈕和復(fù)位電路組成。復(fù)位電源是為單片機(jī)提供復(fù)位信號的電源，這里用的是3.3"V電源。

2.2""語音控制模塊

語音信號處理模塊是語音控制小車控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是完成語音信號的采集、處理和識別，從而實(shí)現(xiàn)小汽車的語音控制功能。模塊內(nèi)置STC11L08XE單片機(jī)和一個咪頭。在語音信號采集階段，模塊使用內(nèi)置的咪頭采集環(huán)境中的語音信號，并進(jìn)行采樣和量化處理。在語音信號預(yù)處理階段，模塊對采集到的語音信號進(jìn)行降噪、濾波、分幀等處理，提高信號的質(zhì)量。在特征提取階段，模塊從經(jīng)過預(yù)處理的語音數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征，如Mel頻率倒譜系數(shù)（Mel"Frequency"Cepstrum"Coefficient，MFCC）。在建立聲學(xué)模型階段，模塊使用訓(xùn)練好的高斯混合模型（Gaussian"Mixture"Module，GMM）等算法建立聲學(xué)模型，以便在語音識別階段進(jìn)行匹配。在語音識別階段，模塊將采集到的語音信號與建立的聲學(xué)模型進(jìn)行匹配，并輸出識別結(jié)果[1]。

2.3""NRF24L01無線模塊

NRF24L01是一種低功耗、高性能的無線通信模塊，被廣泛應(yīng)用于無線傳輸領(lǐng)域。它具有高速數(shù)據(jù)傳輸、多通道和多設(shè)備通信、低功耗設(shè)計、強(qiáng)大的抗干擾能力以及靈活的配置和接口[2]。

本文選擇NRF24L01無線模塊用于單片機(jī)與語音控制模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)語音信號控制小車的運(yùn)動。使用能發(fā)射或接收端CE接單片機(jī)的P1.5，CE不能為高電平，為了防止NRF24L01內(nèi)部發(fā)送數(shù)據(jù)時鎖相環(huán)開環(huán)控制造成載波振蕩；SPI引腳MISO、MOSI、SCK和CSN用來配置24L01的發(fā)射、接收、空閑和掉電模式，分別接到單片機(jī)的P1.1～P1.4；中斷端IRQ，接到單片機(jī)的P1.0，當(dāng)NRF24L01接收到有效的語音數(shù)據(jù)，該模塊就能通過IRQ引腳傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)從NRF24L0l自帶的RX寄存器中讀出接收到的數(shù)據(jù)；振蕩器選擇16M晶振，功率放大器供電端VDD_PA輸出為1.8"V，ANT1和ANT2接天線，電源選擇3.3"V[3]。

2.4""電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計

L298N是一種雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動器，通過穩(wěn)定電源電壓來控制電機(jī)的供電，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。它可以提供高達(dá)2"A的電流輸出，并具備雙向驅(qū)動功能，適用于直流電機(jī)的控制。L298N電路模塊采用了雙橋驅(qū)動芯片，通過控制輸入信號來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。它具有多個引腳用于連接外部控制信號，包括使能端、方向端和PWM輸入端。引腳OUT1、OUT2接電機(jī)M1，OUT3、OUT4接電機(jī)M2。TN1～TN4引腳分別接單片機(jī)的PB5～PB8，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止等操作[4]。

2.5""循跡模塊電路設(shè)計

循跡模塊采用一對灰度傳感器對管，分別連接在單片機(jī)的PB13、PB14口上，用于實(shí)現(xiàn)小車的循跡功能。灰度傳感器對管是2個反射式紅外光電傳感器ST188的組合，能夠檢測地面的反射光強(qiáng)度，從而判斷小車當(dāng)前所處的軌道位置。循跡模塊中的灰度傳感器對管通過對比不同通道的光強(qiáng)度，可以判斷出黑色和白色地面的差異，從而確定小車是否偏離軌道。當(dāng)小車偏離軌道時，灰度傳感器對管會檢測到不同的反射光強(qiáng)度，通過控制系統(tǒng)的反饋機(jī)制，使小車進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)精確的循跡操作。

2.6""紅外避障模塊電路設(shè)計

紅外避障模塊是利用ST188配合比較器實(shí)現(xiàn)避障功能，模塊輸出端接單片機(jī)的PB12引腳上。小車行駛過程中，紅外避障模塊發(fā)射紅外光并監(jiān)測其反射情況。當(dāng)發(fā)射出去的紅外光沒有發(fā)射回來，光電晶體管沒有電流處于截止?fàn)顟B(tài)，比較器的同相端電壓比反相端電壓高，輸出高電平，發(fā)光二極管處于熄滅狀態(tài)，小車判斷前方?jīng)]有障礙物。當(dāng)光線遇到前方物體并反射回來時，光電晶體管導(dǎo)通，比較器的同相端電壓被拉低，比較器輸出低電平，此時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，小車能夠判斷前方存在障礙物。

3""軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1""STM32單片機(jī)主程序設(shè)計

在主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和外設(shè)配置，然后進(jìn)入一個判斷。如果是循跡模式，讀取左右循跡傳感器的數(shù)據(jù)。程序通過讀取的數(shù)據(jù)來實(shí)時監(jiān)測前方障礙物和地面黑線，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來調(diào)整小車的運(yùn)動狀態(tài)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動循跡行駛的功能；如果是語音控制模式，通過串口通信和NRF24L01無線模塊，程序能夠接收和發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)語音控制和數(shù)據(jù)傳輸。

3.2""NRF24L01無線通信模塊程序設(shè)計

NRF24L01無線通信模塊程序首先對24L01模塊進(jìn)行初始化和檢測，確保模塊正常工作。通過設(shè)置寄存器來配置發(fā)送和接收地址，程序讀取和寫入寄存器以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，程序?qū)⒋l(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送過程。發(fā)送完成后，程序檢查發(fā)送狀態(tài)并清除相關(guān)中斷標(biāo)志。對于接收數(shù)據(jù)，程序等待接收完成并讀取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。整個過程中，程序使用SPI通信，并根據(jù)不同情況返回相應(yīng)的狀態(tài)或錯誤碼。

3.3""語音識別模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化后，通過內(nèi)置麥克風(fēng)或外部音頻輸入接口進(jìn)行音頻采集。采集到的音頻信號需要經(jīng)過預(yù)處理，去除噪音和增強(qiáng)語音特征。通過特征提取算法從音頻信號中提取關(guān)鍵的語音特征，將其轉(zhuǎn)化為可供識別的特征向量。在特征提取完成后，將提取到的特征與預(yù)先訓(xùn)練好的語音模型進(jìn)行匹配，通過比較相似度確定最可能的識別結(jié)果。最后，將識別結(jié)果輸出給無線通信模塊，無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)語音控制。

3.4""L298N電機(jī)運(yùn)動控制程序設(shè)計

首先，確定哪些引腳用于控制電機(jī)的方向和速度，初始化引腳和變量；其次，通過單片機(jī)的IO口或PWM輸出來生成相應(yīng)的控制信號，控制引腳的高低電平和脈沖寬度進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)動。

4""系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)通過了語音控制功能測試、避障功能測試和循跡功能測試。

語音控制功能測試涵蓋了5種指令：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退和停止，平均響應(yīng)時間低于0.5"s；紅外避障功能測試過程中，以教室的講臺為障礙物，小車可以在20"cm的距離范圍內(nèi)檢測出障礙物并做出預(yù)期的避障行為；循跡功能測試過程中，在教室地面上繪制了一條環(huán)形作為指示線路，然后觀察小車的行為。測試結(jié)果表明，小車能夠準(zhǔn)確地識別和跟蹤地面上的黑線，并沿著指定路徑穩(wěn)定地行駛[5]。

5nbsp;"結(jié)語

本系統(tǒng)通過語音識別模塊將語音指令轉(zhuǎn)化為控制信號，實(shí)現(xiàn)對小車的方向、運(yùn)動控制。通過紅外傳感器感知周圍環(huán)境，自動跟隨指定的軌跡行駛或者探測到障礙物能及時做出避讓動作實(shí)現(xiàn)自主循跡、避障功能。這一成果不僅驗(yàn)證了設(shè)計理念，也提供了一個實(shí)踐電子設(shè)計和編程技能的教學(xué)平臺，能夠激發(fā)學(xué)生對科技探索的熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

參考文獻(xiàn)

[1]"丁書亞，王魯云.語音控制遙控小車設(shè)計與制作[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（6）：75-76.

[2]"黃凱榮.語音控制智能小車的設(shè)計[J].電子制作，2020（15）：41-44.

[3]"米媛園，李光宗，喬丹妮.基于LD3320的語音控制和自動避障的智能小車設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2021（24）：36-37，40.

[4]"王鈺，朱琳，蘇世雄，等.基于STM32的雙模式智能避障小車系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀表，2021，36（3）：33-36，54.

[5]"田亞立，梁波.語音和射頻遙控的多功能小車設(shè)計[J].福建電腦，2022，38（12）：61-68.