机器人的语音识别功能的实现与硬件设计

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摘要 目前语音识别系统在机器人上的应用逐步得到了扩展，其主要的硬件基础是基于单机芯片的发展和完善。因此，在机器人语音识别功能时，需要以单机芯片为核心，完善整个硬件系统设计，并以此达到连贯的语音控制。

关键词 语音识别；硬件系统；硬件模块；系统设计

中图分类号TP242 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）38-0202-01

1 语音智能识别原理概述

语音识别是建立在对人类语言的交互与判断上的，这是一种多维度的识别过程，一般可以分为两个阶段，即信息汇集和识别。具体的识别过程包括了语音信号的前期处理、语音特征提取、建立语音模型库、进行模型的匹配、后期处理等主要的环节。机器人的语音识别实际上一种仿生式的模式，即将语音转化为一直可以对别的语音特征，然后与储存的信息进行对比，并形成对其含义的判断，人类对语音的含义的判断也是这样的过程，只不过人类使用的是大脑而机器人利用的是数据库和芯片，目前占有主导地位的语音识别技术的技术基础是统计模式的识别理论。

2 机器人语音识别系统的硬件设计

2.1 硬件系统的整体构成

语音识别的硬件系统中体的构成应当为了两个大系统构成，即发射端和接收端，即利用主要的芯片系统来接收语音信号，并进行计算和识别，然后利用信号输出端口将形成的指令传输给接收端的执行系统，并以此控制机器人的各个电机和肢体部件，来完成整个语音指令的执行。在这个系统中主要的硬件系统有：微处理器、音频模块、电机驱动模块、避障系统、机器人系统、电源控制模块。具体的系统构成如图1。

2.2 硬件系统的设计

在具有语音识别功能的机器人硬件系设计中应当对前面提到的各种功能模块进行单独的设计和实现，然后利用线路和端口将整个系统连接起来，这样就实现了机器人硬件系统的搭建。

1）电子芯片（微处理器）。在这里应用的是SPCE061A单机芯片。这种语音识别的专业芯片来构建机器人的语音识别和控制系统可以实现机器人的自动运行。这种语音系统的硬件基础就是SPCE061A控制器为核心的语音识别平台。这种SPCE061A是一种具有语音特色的16位控制器，采用的是模块化的结构，内部集成了在线仿真处理器，闪存、静态内存、通用的端口、定时和计数器、中断控制器、通道转换器、电压监控等模块。另外其数据处理核心能够为其提供较高的处理速度，这样就可使其完成16位的运算、DSP内积率波运算、复杂数字型号处理，但同时不需要进行额外接入专用的语音控制芯片辅助其进行语音的编码和解码。因此可以单独完成语音识别和控制，具有体积小、扩展能力强、集成度高、性能可靠、中断处理功能完备，价格低廉等，即节省了成本也降低了设计难度。因此，微处理模块采用了这种单机芯片，并以此为核心开展硬件设计；

2）音频处理模块。音频处理模块的构成是麦克风输入电路和音频输出电路组成。其中麦克风音频采集电路采用的是MICP和MICN，这种设计可以通过MIC形成的波形变化在两个端口位置形成相反的波形，通过两级放大电路的处理，将放大的语音信号传输给ADC进行数字处理。这个数字信号也就是语音训练和进行识别的语音输入源，音频输出模块对识别后的结果节能型输出，采用的是SPY0030音频放大电路，同时播放提示语音，以便于实现智能化的语音控制，以此完成了人与机器人的交互训练；

3）电机驱动系统。在一般的设计中多采用ULN2803集成放大矩阵模块来完成对电动机的驱动，这样可以实现对机器人内部多个电机的正向和反向运行。这个模块有高度集成、简单可靠等优势，为了实现避障功能的实现提供了较好的硬件基础和很好的驱动能力。因为机器人使用的电机都需要实现正反向运行，并且使用的电机数量较多，因此需要一个稳定而功能强大的电机驱动模块。同时也必须可以与微处理芯片和其他系统进行良好的配合；

4）红外线避障控制模块。利用红外线原理构建的红外线避障模块具有红外线发射和接收二极管为核心，发射管所产生的定频红外线信号，接收二极管则负责接收这一频率的信号。当红外线信号基础到前面遇到障碍的时候，红外线所形成的反射信号就被接收管接收，并进行处理，然后通过数字传感器将信号传输到控制主机，然后由主机进行判断并动作。目前设计中的红外线避障模块多采用多为HARP所生产的红外线传感器GP2D12，这种设备的控制范围是10cm~80cm，设备的接口为标准的三线口，适用于智能化机器人；

5）系统电源模块。在以SPCE061A芯片为核心的语音控制系统其电压的要求为3.3V，而I/O端口的电压则在3.3V~5.0V之间。因此在控制板上将出现两种电压，即5.0V和3.3V。系统可以采用3节电池来进行供电，4.5V的直流电源可以通过稳压装置降低到3.3V，为整个系统提供4.5V和3.3V的工作电压。

3 结论

机器人的语音识别功能需要最佳的硬件组合才能够实现较好的控制效果，其中单机芯片是其控制的核心，因此选择SPCE061A这样比较成熟的芯片来作为语音识别硬件系统的核心是有着明显优势的。同时配合其他硬件模块的合理选择就可以实现较理想的控制效果。

参考文献

[1]丁易新.机器人的语音识别系统和控制器的硬件设计[J].信息化研究，2009(1).

[2]孙丽飞，王法能，王宽仁，和亮.基于单片机的语音智能识别机器人的设计与研究[J].西安外事学院学报，2007(1).