近年來，海洋資源開發(fā)日趨焦點，機器魚作為一項現(xiàn)代化的新成果，具有廣泛的現(xiàn)實意義，它可以更逼真的模擬魚的游動原理，在水下的運動更符合流體力學(xué)原理，具有更好的加速和轉(zhuǎn)向能力，利用它可以探測海洋資源，尋找和檢測海域中受污染的地方，也可以用來勘探地形等等。隨著科技的發(fā)展，人類對智能化產(chǎn)品的研究步伐在不斷加快。但是，作為一項比較新的產(chǎn)品，機器魚的智能化程度還遠遠不夠，伴隨著研究的加深，機器魚的功能也會更趨完善。語音識別作為一門交叉學(xué)科，它的出現(xiàn)實現(xiàn)了長期以來人們渴望與機器交流的夢想。語音識別技術(shù)就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的高技術(shù)。近年來，語音識別技術(shù)發(fā)展迅速，取得顯著進步，并且已經(jīng)開始被應(yīng)用于通信、家庭服務(wù)、汽車電子、醫(yī)療、家電、消費電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。截至目前，還沒有出現(xiàn)針對語音識別系統(tǒng)和機器魚結(jié)合的設(shè)計。本文實現(xiàn)了機器魚和語音識別系統(tǒng)結(jié)合的硬件設(shè)計。
1 芯片介紹
1．1 LD3320語音芯片介紹
LD3320是一顆基于ASR技術(shù)非特定人語音識別的語音識別芯片。語音識別ASR技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語列表識別的技術(shù)。只需要軟件編輯好要識別的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對人說出的關(guān)鍵詞語進行識別，不需要作任何錄音。比如，在51單片機編程中，簡單地設(shè)置語音芯片的寄存器，諸如把“ni hao”這樣的識別關(guān)鍵詞動態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識別這個關(guān)鍵詞語了。并且在同一時刻，最多可以在50條關(guān)鍵詞語中進行識別，可以根據(jù)場景需要，在終端隨時編輯和更新這50條關(guān)鍵詞語。另外，芯片上集成了高精度的D／A和A／D接口，并且接有Flash和RAM，只需把麥克風(fēng)接在芯片的AD引腳上即可實現(xiàn)語音識別／聲控／人機對話功能。
1．2 AVR芯片介紹
本例使用ATmega128單片機作為魚體控制芯片，ATmega128具有以下特點：低功耗的8位微處理器，有133條指令，且大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；53個可編程I／O口線；128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；4K字節(jié)的EEPROM；優(yōu)化的外部存儲器空間多達64K字節(jié)；兩個帶有獨立預(yù)分頻器和比較器的8位定時器／計數(shù)器；兩個帶有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數(shù)器；兩路8位PWM；6路分辨率可變(2到16位)的PWM；兩個可編程的串行USART；8路10位的ADC。
2 硬件設(shè)計實現(xiàn)
2．1 整體設(shè)計方案
語音識別系統(tǒng)識別到語音數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一個中斷信號給51單片機，然后單片機通過程序判斷語音數(shù)據(jù)的正確性(可能是噪音)，如果正確就通過P0口讀取語音數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過WAP200B無線通訊模塊發(fā)送給魚體主控芯片AVR單片機，此時AVR就可以根據(jù)命令產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波。整體方案設(shè)計如圖1所示。
2．2 語音控制部分
M-LD3320進行語音識別時，需要有較高純凈度的3．3V直流電源供電和合適的晶振信號(我們使用了12M正方形有源晶振)。使用51單片機編寫程序主控LD3320芯片，來實現(xiàn)語音識別功能。同時必須保證51單片機和語音模塊的最終供電電源統(tǒng)一。
麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識別到正常結(jié)果，芯片都會產(chǎn)生一個中斷信號通過IRO管腳返回給51單片機，并且將數(shù)據(jù)通過ICR_P0～ICR_P7傳送給51單片機進行處理，然后中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果，如果識別成功，就將識別得到的數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊發(fā)送出去。由于本文在語音模塊傳送數(shù)據(jù)給MCU時采用并行方式，所以MD直接接地，如果采用串行方式需要使MD管腳置高。它與51單片機(基于STC89C52)的連接示意圖如圖2所示。
模塊PCB板已經(jīng)將連接麥克風(fēng)的引腳接到模塊的MIC插座上，所以在連接電路的時候11～19和22～31引腳懸空不用。與51單片機連接時，ICR_P0～ICR_P7(2和33-39引腳)必須連接在單片機的數(shù)據(jù)總線上，同時需要在P0-P7，以及RDB，MD，INTB，WRB，CSB這些控制管腳上焊接1K ／10K的上拉電阻(上拉到3．3V即可)，這樣可以輔助系統(tǒng)穩(wěn)定運行。CLK引腳的連接有兩種選擇：1)直接將51單片機的晶振信號通過導(dǎo)線輸入到LD3320的CLK管腳，但是導(dǎo)線不宜過長。2)將正方形有源晶振直接焊接在模塊上預(yù)留的連接點，此時CLK管腳需要懸空。本文采用的第二種方法。
2．3 AVR控制部分
AVR是魚體的主控MCU，主要用來控制機器魚的的動力部分。機器魚的動力來自舵機，設(shè)計關(guān)節(jié)數(shù)為三個，即有三個舵機。每個舵機由十五位的不同占空比的PWM波來控制轉(zhuǎn)動不同的角度，三個舵機需要配合形成魚體波來控制魚體擺動。魚體結(jié)構(gòu)如圖3。
魚體波是利用桿系機器魚對真實魚游動形態(tài)的擬合，可以認為魚體波曲線是魚體波幅包絡(luò)線和正弦曲線的合成，它開始于魚體慣性力的中心，延伸至尾柄，其曲線方程可表示為
式中，yboby是魚體的橫向位移(背腹軸)，x是魚體的軸向位侈(頭尾軸)，c1是魚體波波幅包絡(luò)線的一次項系數(shù)，c2是魚體波波幅包絡(luò)線的二次項系數(shù)，k是波長倍數(shù)(k=2π／λ)，λ是魚體波的波長，w是魚體波的頻率(w=2πf=2π／T)。
由于計算機控制是一種離散的數(shù)字量，魚體波曲線也需要離散化，所以把時間參數(shù)t從魚體波運動函數(shù)yboby(x，t)中分離出來，方程即為
式中，i表示一個擺動周期內(nèi)的樣條曲線序列的第i個變量；N表示魚體波分辨率，即在一個擺動周期內(nèi)整個魚體波被離散的程度，其上限不能大于驅(qū)動機構(gòu)擺動的最高頻率。
為了更好地表征魚體波動的參數(shù)，提高魚體方向控制特別是轉(zhuǎn)彎過程中的靈活性，在方程2的特征參數(shù)基礎(chǔ)上，增加波長倍數(shù)k相對于x的二次增益，修改后的方程如下
e.jpg
通過調(diào)整k1和k2的值，根據(jù)x的變化可以得到更多的魚體波曲線。同時，在機器魚的設(shè)計過程中，可通過微調(diào)身體波參數(shù)來增加運動的機動性和靈活性。
根據(jù)實際魚體選擇合適的魚體波參數(shù)，通過仿真工具模擬出一個擺動周期內(nèi)i從0～N的所有魚體波，就可以計算舵機在各種情況下所需轉(zhuǎn)動的角度，然后就可以設(shè)定各個舵機的PWM波占空比，就可以產(chǎn)生所需要的魚體波。本文設(shè)定參數(shù)為c1=0．05；c2=0．09；k1=0.5；k2=0.1；N=10的一條魚體波曲線如圖4，直線段為實際中三節(jié)舵機配合形成的魚體波，曲線為理想魚體波曲線。
使用AVR的USART0與無線通信模塊連接。當51單片機通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到AVR時，AVR單片機軟件控制會產(chǎn)生一個串行中斷，此時可以判斷接收到的命令，根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機器魚的游動方向。
2．4 WAP200B無線通訊傳輸部分
無線模塊WAP200B總共有10個管腳：VCC_CPU為MCU電源輸入，VCC_RF為RF短路電源，VCC_PA為RF功放電源，它們?nèi)齻€管腳接DC3．3V；SET為配置或者正常工作模式選擇信號輸入管腳，低電平時WAP200B為配置模式，此時串口的數(shù)據(jù)作為配置指令而不會被傳送出去，高電平(3．3V)時模塊使能接發(fā)功能；RXD／TXD是串口數(shù)據(jù)從WAP200B輸入／輸出的管腳，3．3V／5V兼容TTL邏輯電平，RESET為復(fù)位信號輸入管腳，正常工作接高電平；ANTENNA為天線接口。連接方式如圖5所示。
無線通訊模塊的TXD／RXD分別與51單片機的RXD／TD相連，就相當于51單片機的一個串口。在使用無線通汛模塊之前，需要配置它的波特率、串口模式、頻道以及發(fā)射功率(SET置低)，兩個互相通訊的模塊必須保證具有相同的波特率和頻道，同時51單片機串口的波特率也必須和通訊模塊一致，發(fā)射功率可以根據(jù)發(fā)射的距離遠近設(shè)定。
3 控制軟件設(shè)計流程
51單片機是語音芯片的主控CPU，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式設(shè)定需要和無線通訊模塊一致)，語音系統(tǒng)的識別控制，命令數(shù)據(jù)的發(fā)送。51程序流程如圖6所示。
AVR是魚體主控芯片，它的軟件主要包括主程序，串口初始化(波特率和串口模式需要同上一致，還設(shè)置接收中斷打開狀態(tài))，產(chǎn)生使機器魚直游的PWM波，無論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會產(chǎn)生中斷，就需要根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變機器魚的游動方向，需要注意的是在改變PWM波占空比以后，只需要保持此占空比一段時間(該時間段內(nèi)有可能有新的命令)，在魚體改變方向以后就需要再次將占空比改為直游。AVR控制流程如圖7所示。
4 實驗結(jié)果
此語音控制系統(tǒng)在實驗中已經(jīng)得到實現(xiàn)。我們在51單片機中編輯了“zuo”、 “you”、 “qian”等命令：在AVR單片機的接受中斷編輯了相應(yīng)命令的PWM波占空比；所有串口通訊參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bps；串口模式為8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位；頻道設(shè)置為28；發(fā)射功率設(shè)為最大(FF)。使用了奧林巴斯ME52的麥克風(fēng)作為語音接收設(shè)備。
表1是魚在直游(前)的時候，三個舵機在十個離散周期各自的轉(zhuǎn)角。在轉(zhuǎn)向的時候，前兩個舵機偏轉(zhuǎn)，第三個舵機保持不變；在進行“左”轉(zhuǎn)命令時，舵機1和舵機2在直游基礎(chǔ)上加上負40°；“右”轉(zhuǎn)時加上正40°。由于舵機轉(zhuǎn)角與PWM波占空比是線性關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，我們匹配了PWM波占空比與舵機轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系式
jiaodu是定義的直游時各舵機的轉(zhuǎn)角數(shù)組，j是舵機號，i是周期，pianjiao是左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等附加給直游時的角度(正負40°)；xiuzheng是實際中需要調(diào)試的補償角度。
實際操作中，當發(fā)出“左”、 “右”、 “前”等命令時，機器魚會立即做出相應(yīng)的動作。
5 結(jié)束語
文中主要介紹了語音識別技術(shù)在機器魚上的應(yīng)用以及魚體波的產(chǎn)生原理，實現(xiàn)了語音控制機器魚的游動方向，相信隨著機器魚的研究深入，可以在語音系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)更多功能，使機器魚更加趨于智能化，最終可以為人類探索海洋提供更多幫助和便利。