基于LM3S811的声控轮式机器人的研究与设计

0 引言

随着机器人技术和语音识别技术的飞速发展,其应用已经深入到了军事、工业生产和民用领域,而语音控制的小型轮式机器人更是因为具有体积小、成本低、机动性能强等优点而被广泛应用“。

本论文以LM3S811芯片为核心,设计了一款声控轮式机器人。语音模块采用LD3320,经特定的麦克风处理后,通过AD转换,将数字信号发送给控制芯片处理,处理后的信号会根据不同的,语音命令转换为对应的数字信号传输到LM3S811中,从而改变PWM的占空比4,不同的占空比对应轮式机器人的不同运行动作,从而达到对轮式机器人的运行操作。

1 系统设计

本系统采用CortexM3系列的LM3S811芯片作为主控芯片,主要由语音识别模块、直流电机驱动模块、直流电机和红外传感器模块组成。其工作原理是:麦克风接受语音信号,由语音芯片处理后经AD转换,传送给主控芯片,由主控芯片根据不同的语音信号识别,从而能改变PWM信号的输出占空比,不同的占空比会输出不同的信号控制电机实现不同动作的操作实现,由此设计完成一款语音控制的轮式机器人设计5.。其硬件框图如图1所示。
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2 系统硬件设计

根据系统硬件框图,硬件设计主要从主控芯片的控制系统、语音识别模块和电机驱动控制模块进行阐述。

2.1 主控芯片的控制系统

本设计的主控芯片控制系统采用CortexM3系列LM3S811。其最小系统还包含时钟电路和复位电路。主控芯片主要为系统提供片上的ADC模块以及PWM模块。片上的ADC模块解决语音信号的AD转换,语音信号通过语音模块采集后,由于系统自带有16位的ADC,因此,采集后的信号由ADC处理。而PWM模块,主要是系统在对语音信号进行处理后,通过系统的主控芯片,会对系统输出的PWM信号进行处理,输出不同占空比的PWM信号来驱动电机转动,不同的PWM信号,经由L298N驱动器,驱动电机做出不同的运动,协调处理完成轮式机器人的正常运转。该主控芯片的PWM信号有6路,精度高。

2.2 语音模块

语音模块采用LD3320芯片,它是一款基于非特定人语音识别技术的语音芯片,具体强大的功能,可以一个系统支持多种场景,而且识别句子内容时还可以动态编辑修改,同时,它不需要外接任何的辅助芯片,即可实现语音识别、人机对话和声控等操作。其与系统主控芯片的接法原理图如图2所示。
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2.3 电机控制模块

直流电机控制模块由L298N芯片构成,主控芯片内部PWM模块生成不同占空比的PWM波驱动直流电机,控制其调速和调整方向。整个模块抗干扰能力强、设计工程中,设计了过电压和过电流保护功能、主控系统中共有6路PWM输出,精度高,对速度和方向的控制到位。

3 系统软件设计

软件系统整体框图如图3所示。
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其中主要包含初始化函数、中断模块、主函数,通过软件设计框图,可以看出,其中最重要的部分就是中断模块部分。PWM模块改变小车行动、定时中断改变PWM的占空比等等都由此部分完成。在LMS3811中,中断主要由通用计时器(TIMER)和GPIO口发出。执行中断函数,改变PWM的占空比,从而改变小车的行为。中断函数的软件流程图如图4所示。
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4 测试

系统的测试主要从通过语音的变化来直接,测试反映在轮式机器人在前进、后退、左转以及右运动的情况,准确度是否准确,处理速度是否达到要求。经过测试,各个模块运转顺利,每个动作都能按要求完成。设计达到预期目标,根据测评可以得出L298N直流电机驱动器驱动电机转动方向的特性以及运用PWM控制其模块运作的特性如表1所示。
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根据实验的要求,在检测语音识别实测效果时,选择了4个不同音色,分别两男两女的试验对象,在相同的试验环境下,进行了相关测试,测试的命令次数为20次,经过测试,非特定人的语音命令测试的正确率超过95%。

5 结论

经过硬件和软件设计,完成了一款声控轮式机器人的设计,经过测试,可以得到以下两个结论:(1)主控芯片输出的PWM信号对占空比的控制是非常精确的,对轮式机器人的运行控制是非常精准的;(2)经本系统的最后测评,该系统的语音识别模块对非特定人的语音识别效率搞,准确率均达到了95%以上,由于测试环境下的微小嘈杂噪声,误差是在容许范围之内的,较好地完成了本系统的设计。

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