基于SPCE061A的智能轮椅控制系统硬件设计
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摘要：随着人口老龄化问题越来越严重以及人民生活水平的提高,无论是高龄老年人还是先天或后天肢残者对轮椅等辅助步行工具的需求将日益迫切。在脑电设备的发送和接收控制端加入了基于SPCE061技术的语音识别系统，当大脑发出操作意图时，该信号经过处理触发语音播报系统，而受控设备上安装的语音接收端经过语音辨识，发出正确的驱动信息并进行语音播报，从而控制轮椅的电机系统，如果驾驶者从听觉上感知到信息错误，可及时调整大脑意识，从而实现脑电识别和语音识别对智能轮椅的双保险控制，为有肢体障碍的残疾人提供一种新的控制方式。
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1007-9599(2012)02-0000-02
Intelligent Wheelchair Control System Hardware Design Based on SPCE061A
Hao Minchai
(Shijiazhuang Vocational and Technology Institute,Shijiazhuang050081,China)
Abstract:With the population aging problem is getting worse and people's living standards improve,whether it is Senile,congenital or acquired physically disabled persons on the demand for wheelchairs and other assisted walking tools will become increasingly urgent.In the EEG equipment to send and receive control side by adding a speech recognition system based on SPCE061 technology,when the brain is operating intent is issued,the signal triggered treated voice broadcast system,while the voice controlled device installed on the receiving end through the speech recognition,send the right drive and voice broadcast,and to control the motor system of the wheelchair,if drivers perceive information from the auditory error,timely adjustment of the brain consciousness,EEG recognition and speech recognition in order to achieve the double insurance smart wheelchair provide a new control method for disabled persons with physical disabilities.
Keywords:Brain-computer interface;SPCE061A;Intelligent wheelchair
由于国际社会老龄化日益明显，加上各种交通事故时有发生，轮椅的需求在残疾人的辅助设备中占有重要的地位，智能轮椅的开发在残疾人公共服务领域占有重要的地位。
一、BCI技术
BCI的研究为残障人员提供一种新的信息交流和控制手段,很多种神经肌肉紊乱都会阻断大脑与外界环境的信息交换及对其的控制通道。随着计算机技术和脑功能研究的不断渗入和发展，脑机接口技术（Brain-Computer Interface）在康复医学和辅助控制领域显示了重要的研究价值和应用前景，它为那些思维正常但有严重运动障碍的患者提供语言交流和环境控制途径，大大提高了其生活质量。脑机接口技术是一种全新的信息交换和控制技术，目前BCI技术主要集中在美国、西欧和澳大利亚等国家，在国内，以清华大学为代表的研究机构也实现了利用脑电进行手机拨号、五笔录入、设备开关以及智能小车的控制，在康复工程和辅助控制领域有了深入的研究。尽管BCI技术在质和量两个方面有了一定的提高，仍然处在离线阶段，存在着识别率不高的问题，而且在设计中没有充分考虑到外界的复杂环境给脑电带来的影响。
目前，基于BCI的脑电设备主要是用于设备的开关以及轮椅的控制，在BCI系统全面建立过程中，信号获取是非常重要一步，也是获得良好结果的前提。利用自发想象或在视觉信息提示下进行想象运动已经研究了一段时间，也取得了一定的成果，而在听觉感知信息提示下进行想象运动进行的实验研究还很少。资料表明：人类获取外界信息的方式主要来自与视觉和听觉，当视觉感知出现一定程度的缺失，听觉感知作为一个重要的获取外界信息的感知方式就会起到辅助甚至主导作用。对于使用脑电设备的群体来说，利用听觉感知获得外界信息，进行想象运动控制外界环境同样具有广泛的实用价值和应用前景。
二、语音识别的基本原理
获取脑电提示信息的方式入手，针对无人驾驶的遥控汽车或残疾专用的轮椅等脑电设备，设计了一种基于听觉感知的驾驶行为的想象运动试验，在模拟现实的交通环境下，采用汽车鸣笛、刹车音作为刺激源，对车辆进行启动和制动控制，探索基于听觉感知信息的提示下利用想象运动进行驾驶的脑电特征，为残疾人进行车辆驾驶提供实验依据，并计划建立基于脑机接口技术的脑电控制车辆的离线模型，为有肢体残疾但大脑正常的驾驶人员提供一种新的辅助驾驶方式。
语音识别过程主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部分。预处理包括预滤波、采样和量化、加窗、端点检测、预加重等过程。语音信号识别最重要的一环就是特征参数提取。提取的特征参数必须满足以下的要求：
1.特征参数必须有一定的特征，能够相互区分
2.各阶选取得参数必须具有相对的对立特征。
3.所选取得参数必须应用方便，为计算带来方便，能更好的实现语音识别的实现。
（一）电源电路
对于电源设计电路部分用7805芯片进行稳压输出稳定的5V电压，为语音识别和播放器和I/O口模块所使用，5V在经过TR1972-33后 输出3.3V为CPU供电使用，I/OSPCE061A采用低电压供电方式，可以降低芯片功率损耗。其中SPCE06lA的电源分两种，即内核电源(VDD)和I/O口电源(VDDH)。
（二）音频输出电路模块
音频输出是电流输出，为了能更好的驱动扬声器SPEAKER则需要一定的驱动电路。SPY0030与LM386相比LM386的供电电压为4v之多，SPY0030工作电压仅为2.4V，LM386功率输出在100mw之下，芯片SPY0030大约是700mw，有足够的驱动能力，因此他的输出电路如图2所示。
图2 音频输出电路
（三）存储模块部分电路设计
因为SPCE061A内闪存有32Kwords，不足以存储大量的语音资源，所以使用时必须外扩扩展存贮器。因此我采用了SPR4096是一个带有4M-bit(512K×8-bit)总线闪存， 并且SPR4096内部还含有一个4K×8-bit的SRAM。闪存在进行的编程/擦除时，就可以并发执行SRAM的读/写。
（四）电机驱动模块
电机驱动模块采用直流电机驱动，左右配对来驱动左右轮运动，我采用了配对的DG-168永磁电机来使用，它具有过载能力大，噪声低，机械性能好等优点。电压使用为24V，功率为168W。
语音控制的轮椅具有实际的应用价值，稳定性好，能够很方便的为使用者带来的应用价值，语音控制在人们的日常生活中具有不可估量的的作用，同时为使用者带来的方便，应用会越来越广泛。
石家庄职业技术学院院级课题：11YQ1001
河北省科技厅科技支撑课题：11213596