智能声控小车的设计与制作

学习，得到单个词汇或者词汇之间关联的概率;

（3）映射模型：该模型搭建词汇与音素之间的对应关系。

语音模块的语音处理过程包含以下几个方面[3]。

（1）滤波和A/D转换。在语音识别时，一般选择7-10Khz的频段进行信息收集，对收集信号滤波的作用是为了抑制超过采样频率值一半的输入信号的所有分量，以避免50Hz的工频干扰;滤波后将原始语音模拟信号进行A/D转换，从而得到在时间和幅度上都离散化了的数字信号。

（2）预处理。因为在语音信息传输过程中，高频成分的衰减程度很大，所以需要通过预加重来增强传输开始时信号的高频部分，从而弥补高频衰减。通常情况下，信号的频率主要取决于电平变化的速度，所以绝大部分信号的高频分量通常出现于信号的上升沿与下降沿，通过对这一阶段识别出的高频信号的预加重可有效防止高频信号的损失。

（3）分窗分帧处理。由于语音信号具有短期稳定性（可以认为它在10-30ms内大部分不会变化），所以可以将语音信号分成几段逐个处理，这就是语音信号的分帧处理的方法。具体分帧操作则通过使用可移动的限长窗口来实现。

硬件系统中的电机控制模块主要由L298N双H电桥驱动芯片构成，该模块与单片机的控制I/O口相连，通过相应单片机引脚高低电平的变化来控制小车电机输出脚的使能情况，从而控制小车在不同指令下的运行状态。

障碍识别模块主要由两个红外对管传感器组成。该模块将二支红外对管传感器分别置于小车前端两侧，方向与小车前进方向成一定夹角，通过红外对管传感器发射出的红外线来探测前方是否有障碍物，一旦检测出障碍物，该模块与单片机相连接的引脚电平将会翻转改变，进而单片机执行避障指令小车完成转向避障动作。障碍识别模块的详细电路图如下图所示。

3 软件仿真及程序设计

在确定了硬件结构组成和器件工作原理的基础上，通过应用PROTEUS软件并结合C语言控制程序对整个智能小车运行系统进行仿真，来进一步验证整体系统功能的正确性。由于PROTEUS软件中没有语音集成模块LD3320对应的仿真器件，故我们在小车仿真结构中使用了一些功能按键来代替语音模块识别出的指令来控制小车的前进、后退、停止等动作。除此之外，仿真中还添加了两个LED小灯，并通过小灯的亮灭来表示两个车轮驱动电机的启动和停止。仿真图中按照从左到右的顺序放置了五个按键来代替识别出的前进、后退、停止、左拐、右拐语音指令。读入控制程序并运行仿真后，可通过对小灯亮灭的观察，来确认最终仿真系统控制的有效性和正确性。

所编写的控制程序由C语言来实现，并通过Keil μVersion4软件来对齐编译、链接。当所设计的声控避障程序开始运行时，首先，程序会对所有用到的单片机I/O口进行初始化功能设置;当初始化完成后，会进入等待状态，随时检测是否有语音信号输入;一旦语音模块采集到语音信号后，程序就会进入语音逻辑判断部分，并根据逻辑判断结果来运行不同的控制程序，并由此产生不同的电机控制命令，实现与语音命令匹配的前进、后退、停止和转向等动作。具体控制程序的流程图如下图所示。

4 实物验证

基于上面的硬件组成和控制程序，设计制作了智能声控小车实物。当对该小车进行上电操作后，STC15F2K60S2单片机中的控制程序会率先对LD3320语音识别模块进行初始化，然后等待语音信号的输入。LD3320 捕捉到语音信号后就会对其进行内部逻辑判断，来匹配内部的關键词列表，一旦找到匹配信息，就会将指令结果传输给单片机。并进入相应的电机控制函数，并且根据函数控制结果向电机串口写入指定的控制字符指令，从而实现小车相应的动作变化。下图为小车实物上电后的语音指令识别和执行过程。

另外，对于障碍识别模块，其上电后将利用障碍物对红外线的反射特点，当前面的有障碍物时，红外传感器发射出的红外光大部分被反射回来，此时传感器输出为0，点亮障碍报警LED指示灯;反之，当小车前方没有障碍物的时候，小车红外传感器发射出的红外光几乎不会被反射回来，无法达到传感器的最低动作水平，此时传感器输出为1。通过STC15F2K60S2单片机检测与障碍识别模块相连引脚的电平变化情况就能检测到小车前方是否存在障碍物，进而进行避障操作。

需要说明的是，当小车在全速前进状态下发现障碍物时，如果小车不做减速控制而直接进行变向避障调整，将很容易出现避障时转弯半径过大导致碰撞到障碍物无法继续运行的问题。所以当检测到前方有障碍物时，应该根据小车红外感应距离，先适当调节小车运行速度，以顺利完成避障动作，防止因车速过快、转弯半径过大产生避障失败。

5 结束语

本文设计了一款智能声控小车系统，该系统基于STC15F2K60S2单片机可以实现简单的人机交互控制，系统通过语音识别模块可以识别语音信号中的特征参数，并根据识别出的语音信号由STC15F2K60S2单片机控制的小车的运行状态。另外，该智能小车系统还具有障碍识别模块，该模块可以通过红外线传感器识别前方的障碍，并通过预设的控制程序自动实现避障动作。本文设计的智能声控小车可以解放人们的双手，只通过语音指令即可令小车实现诸如前进、后退或转向等动作，其在智慧交通、抢险救援、智能玩具以及未来的人工智能人机交互等领域具有广泛的应用前景。在后续的研究中我们将会尝试使用性能更加优越的语音识别芯片来提高语音识别的准确性和语音指令存储量，以让这款小车具有更强的抗噪性和实用性。

参考文献：

[1] 禹琳琳. 语音识别技术及应用综述[J].现代电子技术，2013， 36（13）： 43-45.

[2] 赵甜甜， 王梦娇， 谢韬， 等. 基于LD3320的语音识别车配虚拟人系统的设计[J].信息化建设， 2016，18（4）： 329.

[3] 李雪霞， 刘雪梅， 李建勇. 基于嵌入式微处理器的智能语音小车设计[J].工业控制计算机， 2018，30（9）： 160-162.

【通联编辑：梁书】

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