智能机器人语音控制系统的设计.doc

THE DESIGN OF SPEECH-CONTROLLED INTELLIGENT ROBOT SYSTEM

ABSTRACT

Speech recognition technology is one of the focus of today's world, has been the general concern of academia and business.Speech recognition technology for intelligent robots will be practical to take a great role. Meanwhile, the intelligent robot platform can better study the practical problems speech technology, thus making it more widely used.

The purpose of this design is to facilitate human-computer interaction. First the paper introduces the development process of the intelligent robot voice recognition technology, and analyzes the impact of the main factors to the robot speech recognition. Then it introduces the principle of speech recognition and speech signal processing methods and techniques used in analysis. And then it describes the characteristics of the chip microcomputer SPCE061A, and to establish a voice control system hardware structure of this system,compiled the corresponding program. Finally, the system was debugged and simulated.The conclusion is that the robot speech recognition to control the robot can be done forward, backward, turn left, turn right, stop, firing and other functions.

Key word : SPCE061A MCU；robotics；peech recognition；debugging and simulation

目录

1 绪论......................................................................................................................................1
1.1 课题研究背景..............................................................................................................1
1.2 智能机器人概述及现状..............................................................................................2
1.2.1 智能机器人概述................................................................................................2
1.2.2 智能机器人发展方向........................................................................................3
1.3 语音识别技术的概述..................................................................................................5
1.4 语音识别的发展历史..................................................................................................5
1.4.1 国外研究历史及现状........................................................................................5
1.4.2 国内研究历史及现状........................................................................................7
1.5 语音识别技术的前景和应用......................................................................................7
1.6 影响智能机器人语音识别系统设计的主要因素......................................................8
1.7 论文主要研究内容......................................................................................................9
2 语音识别原理和设计采用方案........................................................................................10
2.1 语音识别的分类........................................................................................................10
2.2 语音识别基本原理....................................................................................................10
2.3 语音信号预处理........................................................................................................11
2.4 特征量的提取............................................................................................................12
2.4.1 线性预测分析..................................................................................................13
2.4.2 倒谱分析..........................................................................................................15
2.5 模式匹配及模型训练技术........................................................................................15
2.6 本设计选用的方案....................................................................................................16

2.6.1 系统采用的芯片..............................................................................................16
2.6.2 系统采用的语音识别算法..............................................................................17
3 智能机器人语音控制系统硬件电路设计........................................................................19
3.1 设计总体方案............................................................................................................19
3.2 SPCE061A单片机的主要特点................................................................................20
3.3 电源模块....................................................................................................................21
3.4 MIC输入模块.............................................................................................................22
3.5 语音输出模块............................................................................................................23
3.6 超声波传感模块........................................................................................................23
3.7 通信模块....................................................................................................................24
3.8 机器人动作模块........................................................................................................25
4 智能机器人语音控制系统软件设计................................................................................27
4.1 设计总体方案............................................................................................................27
4.2 语音识别模块............................................................................................................29
4.3 语音训练模块............................................................................................................30
4.4 语音播放模块............................................................................................................31
4.5 机器人动作模块........................................................................................................32
5 系统调试及仿真................................................................................................................33
5.1 系统调试....................................................................................................................33
5.1.1 硬件调试..........................................................................................................33
5.1.2 软件调试..........................................................................................................33
5.2系统仿真......................................................................................................................34
5.3 结论............................................................................................................................35
参考文献..................................................................................................................................36

1 绪论

1.1 课题研究背景

随着现代科学技术和计算机技术的发展，人们在与计器的信息交流中，需要一种 更加方便、自然的方式。语言是人类最重要、最有效、最常用的和最方便的通信形 式。这很容易让人想到能否用自然语言代替传统的人机叫交流方式，如键盘、鼠标 等，人机自然语音对话就意味着机器应具有听觉，能听懂人类的口头语言，这就是语 音识别的功能。语音识别是语音信号处理的重要研究方向之一，控制论创始人维纳在 1950年曾指出：“通常，我们把语音仅仅看作人与人之间的通信手段，但是，要使人向 机器，机器向人以及机器讲话，那也是完全办得到的”。

语音是语言信息的载体，语音识别的基本任务是将输入的语音转化为相应的语言 代码。这样，不仅使存储或传输这样的语言代码时的数码率比起存储或传输原来有语 音信号来大幅降低，而且还在于它把一种连续的语音信号变成一种有限符号，这样的 符号容易被计算机理解其含义，并且便于与人类交流，因而语音识别得到十分广泛的 应用。

随着计算机技术、模式识别和信号处理技术及声学技术等的发展，使得能满足各 种需要的语音识别系统的实现成为可能。近二三十年来，语音识别在工作、军事、交 通、医学、民用诸方面，特别是在计算机、信息处理、通信与电子系统、自动控制等 领域中有着广泛的应用 。当今，语音识别产品在人机交互应用中己经占到越来越大 的比例。近年来，随着消费类电子产品对低成本、高稳健性的语音识别芯片的需求快 速增加。使得语音识别系统大量地从PC机转移到嵌入式设备中。通过研究者的不断努 力，现在嵌入式非特定人语音识别系统识别精度己经达到85%以上，而对特定人语音 识别系线的识别精度就更高了。

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嵌入式语音识别系统与PC机的语音识别系统相比，虽然其运算速度和存储容量有 限，但它具有自己的一些特点。首先，除语音识别功能外。为了有一个友好的人机界 面和对识别正确与否的验证，该系统还具备语音提示及语音回放功能其次，嵌入式语 音识别系统多为实时系统。即当用户说完待识别的词条后，系统立即完成识别功能洋 右乐回应。最后，嵌入式语音识别系统具有体积小。可靠性高、耗电省、投入少、价 格低廉并且便携性好。可支持移动作业等优点。这是嵌入式语音识别系统与PC机的语 音识别系统相比最大的优势，嵌入式语音识别系统的优点使得其应用的领城十分广 泛。

从研究现状来看，作为语音识别的标志性技术，无限词汇量、非特定人、连续语 音识别系统在比较安静环境下，对于比较正式的书面语言已经达到了相当高的使用程 度，在限定环境下还能达到更好的效果，我们仍要进一步提高识别系统对不同环境、 不同说话人和不太说话内容的稳健性。

语音识别技术主要包含几个方面：语音控制、电子发声、连续语音识别、非连续 语音识别和语音学习。目前主要是在支持中英文混合识别问题上，存在一些障碍，同 时在识别大量词汇和个别发音方面还很难做到准确。作为语音识别技术新方向的语音 学习，它则要求人模仿标准发音，其面临的困难是如何衡量人的好坏。

1.2 智能机器人概述及现状

1.2.1 智能机器人概述

我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的 进行自我控制的“活物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微 妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、 听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。 这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。我们称这

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种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的 结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正 像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能 从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了 。

智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的“意识”中 单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境——实际情况的详尽模式。它能分析出现的 情况，能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并 在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。当然，要它和我们人 类思维一模一样，这是不可能办到的。不过，仍然有人试图建立计算机能够理解的某 种“微观世界”。比如维诺格勒在麻省理工学院人工智能实验室里制作的机器人。这个 机器试图完全学会玩积木：积木的排列、移动和几何图案结构，达到一个小孩子的程 度。这个机器人能独自行走和拿起一定的物品，能“看到”东西并分析看到的东西，能 服从指令并用人类语言回答问题。更重要的是它具有“理解”能力。为此，有人曾经在 一次人工智能学术会议上说过，不到十年，我们把电子计算机的智力提高了10倍；如 维诺格勒所指出的，计算机具有明显的人工智能成分。

机器人现在已被广泛地用于生产和生活的许多领域,按其拥有智能的水平可以分为 三个层次。

一是工业机器人,它只能死板地按照人给它规定的程序工作,不管外界条件有何变化, 自己都不能对程序也就是对所做的工作作相应的调整。如果要改变机器人所做的工作, 必须由人对程序作相应的改变,因此它是毫无智能的。

二是初级智能机器人。它和工业机器人不一样,具有象人那样的感受,识别,推理和判 断能力。可以根据外界条件的变化,在一定范围内自行修改程序,也就是它能适应外界条 件变化对自己怎样作相应调整。不过,修改程的原则由人预先给以规定。这种初级智能 机器人已拥有一定的智能,虽然还没有自动规划能力,但这种初级智能机器人也开始走向

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一的从1～20的一组数字”，机器人自己会将这组指令输入详细规定的操作系统。最明 显的就是，“一接触到热的物体就把手缩回来”这类最明显的指令甚至在大脑还没有意 识到的时候就已经发出了。

把一个大任务在几个皮层之间进行分配，这比控制器官给构成系统的每个要素规

定必要动作的严格集中的分配合算、经济、有效。在解决重大问题的时候，这样集中 化的大脑就会显得过于复杂，不仅脑颅，甚至连人的整个身体都容纳不下。在完成这 样或那样的一些复杂动作时，我们通常将其分解成一系列的普遍的小动作（如起来、 坐下、迈右脚、迈左脚）。教给小孩各种各样的动作可归结为在小孩的“存储器”中形 成并巩固相应的小动作。同样的道理，知觉过程也是如此组织起来的。感性形象——这 是听觉、视觉或触觉脉冲的固定序列或组合（马、人），或者是序列和组合二者兼而 有之。

学习能力是复杂生物系统中组织控制的另一个普遍原则，是对先前并不知道、在 相当广泛范围内发生变化的生活环境的适应能力。这种适应能力不仅是整个机体所固 有的，而且是机体的单个器官、甚至功能所固有的，这种能力在同一个问题应该解决 多次的情况下是不可替代的。适应能力这种现象，在整个生物界的合乎目的的行为中 起着极其重要的作用。

控制机器人的问题在于模拟动物运动和人的适应能力。建立机器人控制的等级—— 首先是在机器人的各个等级水平上和子系统之间实行知觉功能、信息处理功能和控制 功能的分配。第三代机器人具有大规模处理能力，在这种情况下信息的处理和控制的 完全统一算法，实际上是低效的，甚至是不中用的。所以，等级自适应结构的出现首 先是为了提高机器人控制的质量，也就是降低不定性水平，增加动作的快速性。为了 发挥各个等级和子系统的作用，必须使信息量大大减少。因此算法的各司其职使人们 可以在不定性大大减少的情况下来完成任务。总之，智能的发达是第三代机器人的一 个重要特征。人们根据机器人的智力水平决定其所属的机器人代别。有的人甚至依此

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