近年來(lái)，海洋資源開(kāi)發(fā)日趨焦點(diǎn)，機(jī)器魚(yú)作為一項(xiàng)現(xiàn)代化的新成果，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，它可以更逼真的模擬魚(yú)的游動(dòng)原理，在水下的運(yùn)動(dòng)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(cè)海洋資源，尋找和檢測(cè)海域中受污染的地方，也可以用來(lái)勘探地形等等。隨著科技的發(fā)展，人類對(duì)智能化產(chǎn)品的研究步伐在不斷加快。但是，作為一項(xiàng)比較新的產(chǎn)品，機(jī)器魚(yú)的智能化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，伴隨著研究的加深，機(jī)器魚(yú)的功能也會(huì)更趨完善。語(yǔ)音識(shí)別作為一門交叉學(xué)科，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期以來(lái)人們渴望與機(jī)器交流的夢(mèng)想。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)就是讓機(jī)器通過(guò)識(shí)別和理解過(guò)程把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的高技術(shù)。近年來(lái)，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，取得顯著進(jìn)步，并且已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用于通信、家庭服務(wù)、汽車電子、醫(yī)療、家電、消費(fèi)電子產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域。截至目前，還沒(méi)有出現(xiàn)針對(duì)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)和機(jī)器魚(yú)結(jié)合的設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚(yú)和語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)。

　　1 芯片介紹

　　1．1 LD3320語(yǔ)音芯片介紹

　　LD3320是一顆基于ASR技術(shù)非特定人語(yǔ)音識(shí)別的語(yǔ)音識(shí)別芯片。語(yǔ)音識(shí)別ASR技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)列表識(shí)別的技術(shù)。只需要軟件編輯好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表，并把這些關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對(duì)人說(shuō)出的關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行識(shí)別，不需要作任何錄音。比如，在51單片機(jī)編程中，簡(jiǎn)單地設(shè)置語(yǔ)音芯片的寄存器，諸如把“ni hao”這樣的識(shí)別關(guān)鍵詞動(dòng)態(tài)地傳入芯片中，芯片就可以識(shí)別這個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)了。并且在同一時(shí)刻，最多可以在50條關(guān)鍵詞語(yǔ)中進(jìn)行識(shí)別，可以根據(jù)場(chǎng)景需要，在終端隨時(shí)編輯和更新這50條關(guān)鍵詞語(yǔ)。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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別／聲控／人機(jī)對(duì)話功能。

　　1．2 AVR芯片介紹

　　本例使用ATmega128單片機(jī)作為魚(yú)體控制芯片，ATmega128具有以下特點(diǎn)：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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；53個(gè)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(chǔ)器空間多達(dá)64K字節(jié)；兩個(gè)帶有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩個(gè)帶有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；兩路8位PWM；6路分辨率可變(2到16位)的PWM；兩個(gè)可編程的串行USART；8路10位的ADC。

　　2 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　2．1 整體設(shè)計(jì)方案

　　語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到語(yǔ)音數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給51單片機(jī)，然后單片機(jī)通過(guò)程序判斷語(yǔ)音數(shù)據(jù)的正確性(可能是噪音)，如果正確就通過(guò)P0口讀取語(yǔ)音數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過(guò)WAP200B無(wú)線通訊模塊發(fā)送給魚(yú)體主控芯片AVR單片機(jī)，此時(shí)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(jì)如圖1所示。

　　2．2 語(yǔ)音控制部分

　　M-LD3320進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別時(shí)，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(hào)(我們使用了12M正方形有源晶振)。使用51單片機(jī)編寫(xiě)程序主控LD3320芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能。同時(shí)必須保證51單片機(jī)和語(yǔ)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(shí)別到正常結(jié)果，芯片都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)通過(guò)IRO管腳返回給51單片機(jī)，并且將數(shù)據(jù)通過(guò)ICR_P0～I(xiàn)CR_P7傳送給51單片機(jī)進(jìn)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(shí)別成功，就將識(shí)別得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊發(fā)送出去。由于本文在語(yǔ)音模塊傳送數(shù)據(jù)給MCU時(shí)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(jī)(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(shí)候11～19和22～31引腳懸空不用。與51單片機(jī)連接時(shí)，ICR_P0～I(xiàn)CR_P7(2和33-39引腳)必須連接在單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，同時(shí)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(yùn)行。CLK引腳的連接有兩種選擇：1)直接將51單片機(jī)的晶振信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線輸入到LD3320的CLK管腳，但是導(dǎo)線不宜過(guò)長(zhǎng)。2)將正方形有源晶振直接焊接在模塊上預(yù)留的連接點(diǎn)，此時(shí)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(yú)體的主控MCU，主要用來(lái)控制機(jī)器魚(yú)的的動(dòng)力部分。機(jī)器魚(yú)的動(dòng)力來(lái)自舵機(jī)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)數(shù)為三個(gè)，即有三個(gè)舵機(jī)。每個(gè)舵機(jī)由十五位的不同占空比的PWM波來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，三個(gè)舵機(jī)需要配合形成魚(yú)體波來(lái)控制魚(yú)體擺動(dòng)。魚(yú)體結(jié)構(gòu)如圖3。

　　魚(yú)體波是利用桿系機(jī)器魚(yú)對(duì)真實(shí)魚(yú)游動(dòng)形態(tài)的擬合，可以認(rèn)為魚(yú)體波曲線是魚(yú)體波幅包絡(luò)線和正弦曲線的合成，它開(kāi)始于魚(yú)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(yú)體的橫向位移(背腹軸)，x是魚(yú)體的軸向位侈(頭尾軸)，c1是魚(yú)體波波幅包絡(luò)線的一次項(xiàng)系數(shù)，c2是魚(yú)體波波幅包絡(luò)線的二次項(xiàng)系數(shù)，k是波長(zhǎng)倍數(shù)(k=2π／λ)，λ是魚(yú)體波的波長(zhǎng)，w是魚(yú)體波的頻率(w=2πf=2π／T)。

　　由于計(jì)算機(jī)控制是一種離散的數(shù)字量，魚(yú)體波曲線也需要離散化，所以把時(shí)間參數(shù)t從魚(yú)體波運(yùn)動(dòng)函數(shù)yboby(x，t)中分離出來(lái)，方程即為

　　式中，i表示一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)的樣條曲線序列的第i個(gè)變量；N表示魚(yú)體波分辨率，即在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)整個(gè)魚(yú)體波被離散的程度，其上限不能大于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的最高頻率。

　　為了更好地表征魚(yú)體波動(dòng)的參數(shù)，提高魚(yú)體方向控制特別是轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的靈活性，在方程2的特征參數(shù)基礎(chǔ)上，增加波長(zhǎng)倍數(shù)k相對(duì)于x的二次增益，修改后的方程如下

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　　通過(guò)調(diào)整k1和k2的值，根據(jù)x的變化可以得到更多的魚(yú)體波曲線。同時(shí)，在機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)微調(diào)身體波參數(shù)來(lái)增加運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

　　根據(jù)實(shí)際魚(yú)體選擇合適的魚(yú)體波參數(shù)，通過(guò)仿真工具模擬出一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)i從0～N的所有魚(yú)體波，就可以計(jì)算舵機(jī)在各種情況下所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，然后就可以設(shè)定各個(gè)舵機(jī)的PWM波占空比，就可以產(chǎn)生所需要的魚(yú)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(yú)體波曲線如圖4，直線段為實(shí)際中三節(jié)舵機(jī)配合形成的魚(yú)體波，曲線為理想魚(yú)體波曲線。

　　使用AVR的USART0與無(wú)線通信模塊連接。當(dāng)51單片機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳送到AVR時(shí)，AVR單片機(jī)軟件控制會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串行中斷，此時(shí)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(jī)器魚(yú)的游動(dòng)方向。

　　2．4 WAP200B無(wú)線通訊傳輸部分

　　無(wú)線模塊WAP200B總共有10個(gè)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€(gè)管腳接DC3．3V；SET為配置或者正常工作模式選擇信號(hào)輸入管腳，低電平時(shí)WAP200B為配置模式，此時(shí)串口的數(shù)據(jù)作為配置指令而不會(huì)被傳送出去，高電平(3．3V)時(shí)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(hào)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(wú)線通訊模塊的TXD／RXD分別與51單片機(jī)的RXD／TD相連，就相當(dāng)于51單片機(jī)的一個(gè)串口。在使用無(wú)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(gè)互相通訊的模塊必須保證具有相同的波特率和頻道，同時(shí)51單片機(jī)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(yuǎn)近設(shè)定。

　　3 控制軟件設(shè)計(jì)流程

　　51單片機(jī)是語(yǔ)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(wú)線通訊模塊一致)，語(yǔ)音系統(tǒng)的識(shí)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(yú)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(kāi)狀態(tài))，產(chǎn)生使機(jī)器魚(yú)直游的PWM波，無(wú)論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會(huì)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(jī)器魚(yú)的游動(dòng)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(shí)間(該時(shí)間段內(nèi)有可能有新的命令)，在魚(yú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　此語(yǔ)音控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。我們?cè)?1單片機(jī)中編輯了“zuo”、 “you”、 “qian”等命令：在AVR單片機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)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(yǔ)音接收設(shè)備。

　　表1是魚(yú)在直游(前)的時(shí)候，三個(gè)舵機(jī)在十個(gè)離散周期各自的轉(zhuǎn)角。在轉(zhuǎn)向的時(shí)候，前兩個(gè)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，第三個(gè)舵機(jī)保持不變；在進(jìn)行“左”轉(zhuǎn)命令時(shí)，舵機(jī)1和舵機(jī)2在直游基礎(chǔ)上加上負(fù)40°；“右”轉(zhuǎn)時(shí)加上正40°。由于舵機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系式

　　　　jiaodu是定義的直游時(shí)各舵機(jī)的轉(zhuǎn)角數(shù)組，j是舵機(jī)號(hào)，i是周期，pianjiao是左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等附加給直游時(shí)的角度(正負(fù)40°)；xiuzheng是實(shí)際中需要調(diào)試的補(bǔ)償角度。

　　實(shí)際操作中，當(dāng)發(fā)出“左”、 “右”、 “前”等命令時(shí)，機(jī)器魚(yú)會(huì)立即做出相應(yīng)的動(dòng)作。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　文中主要介紹了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在機(jī)器魚(yú)上的應(yīng)用以及魚(yú)體波的產(chǎn)生原理，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)方向，相信隨著機(jī)器魚(yú)的研究深入，可以在語(yǔ)音系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多功能，使機(jī)器魚(yú)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。