摘要：介紹了語音遙控的電動小車的機械結(jié)構(gòu)及控制部分。在機械結(jié)構(gòu)上，對普通的玩具小車做了改進，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈活，并且在設(shè)計范圍內(nèi)可以實現(xiàn)任意角度墨跡和任意速度移動；而在控制系統(tǒng)部分，則采用語音控制方式，使小車可以“聽懂”人的命令，娛樂性和互動性更強。

關(guān)鍵詞：語音識別 智能小車 無線遙控

根據(jù)美國玩具協(xié)會的調(diào)查統(tǒng)計，近年來玩具銷量增幅與平均GDP增幅大致相當(dāng)。而玩具市場的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大變化：傳統(tǒng)玩具的市場比重下在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國玩具市場的高科技電子玩具的年銷售額2004年較2003年增長52%，而傳統(tǒng)玩具的年銷售額僅增長3%。英國玩具零售商協(xié)會選出的2001年圣誕的十大玩具中，在七款玩具配有電子元件。從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動式玩具已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流。本文設(shè)計一個具有語音識別功能的智能遙控小車。該小車的傳統(tǒng)的手動遙控小車的機械部分做了改進，使之可以實現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)向和以任意 速度前進，而不象一般的小車那樣只能以固定角度轉(zhuǎn)向和以固定速度前進，因此更加接近真實的車輛。本文還在小車的控制系統(tǒng)中采用語音識別系統(tǒng)，使控制者可以用語音對小車進行控制，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，而且小車和控制者還具有一定的交互功能。

1 智能小車總體結(jié)構(gòu)框圖

智能小車主要由轉(zhuǎn)向機械、驅(qū)動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向控制模塊、驅(qū)動控制模塊、遙控模塊和語音控制模塊六大部分組成，如所示。
2 機械本體結(jié)構(gòu)及工作原理

小車為輪式結(jié)構(gòu)，如所示。機械部分分為轉(zhuǎn)向機械（圖中橢圓內(nèi)的部分）和驅(qū)動機械（圖中橢圓外部分）。轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向架和兩個前輪組成。驅(qū)動機構(gòu)采用玩具小車常用的雙電機驅(qū)動方案包括兩個減速電機和兩個后輪。轉(zhuǎn)向機構(gòu)工作原理為：轉(zhuǎn)向時由控制者向小車發(fā)出轉(zhuǎn)向信號，轉(zhuǎn)向電機根據(jù)轉(zhuǎn)向信號正向或反向旋轉(zhuǎn)一定角度，電機通過齒輪、齒條系統(tǒng)帶動轉(zhuǎn)向架擺動一定角度，終帶動與轉(zhuǎn)向架固定在一起的前輪偏擺一定角度。小車在轉(zhuǎn)向時由于內(nèi)、外側(cè)的車輪的轉(zhuǎn)變半徑不同，所以內(nèi)外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速也不相同。前輪為從動輪，會根據(jù)轉(zhuǎn)變角度的大小自動調(diào)節(jié)內(nèi)、外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速；而后輪為主動輪，其轉(zhuǎn)速分別由兩個電機獨立驅(qū)動，不會根據(jù)轉(zhuǎn)變半徑自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。因此小車轉(zhuǎn)變時，控制系統(tǒng)在控制轉(zhuǎn)向電機的同時還需要根據(jù)轉(zhuǎn)向角度的大小向兩個驅(qū)動電機發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)兩個驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速使之產(chǎn)生特定的轉(zhuǎn)速比，從而使轉(zhuǎn)彎順利進行。在這里，轉(zhuǎn)彎的角度、轉(zhuǎn)速經(jīng)與小車的尺寸及轉(zhuǎn)變半徑有關(guān)。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括兩大部分，一部分位于遙控器內(nèi)，用于識別控制者的命令并將響應(yīng)的控制信號發(fā)送出去；部分位于小車上，用于接收遙控器發(fā)出的控制信號，并根據(jù)控制信號控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，使小車實現(xiàn)預(yù)期的動作。

3．1 遙控器

遙控器主要由語音識別模塊和無線發(fā)送模塊（編碼芯片、射頻發(fā)送模塊）組成，如所示。遙控器的工作原理為：控制者通過麥克風(fēng)發(fā)出控制命令，該命令經(jīng)過語音識別模塊識別后，根據(jù)控制信號的類型產(chǎn)生一個8位的控制碼，語音識別模塊通過其P1端口將控制碼輸出至無線發(fā)送模塊，然后語音識別模塊發(fā)出控制信號，控制無線發(fā)送模塊將該控制碼以無線電波形式發(fā)送出去，車載控制部分接收到后便控制小車產(chǎn)生預(yù)期的動作。
3．1．1 語音控制模塊

語音控制模塊主要由Sensory公司的集成語音識別芯片RSC-364組成。該芯片是專門為語音控制家電產(chǎn)品而設(shè)計的，外圍輔助器件少，采用典型應(yīng)用電路時只需要一個麥克風(fēng)、一個晶體振蕩器、一個小場聲器和幾個電阻、電容即可。該芯片內(nèi)部集成了語音識別、語音合成、語音身份識別、錄音回放功能。芯片內(nèi)部采用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識別算法，和說話者無關(guān)的語音識別準確率可以達到97%，和說話者相關(guān)的語音識別準確率可以達到99%。該芯片的功能框圖如所示。該芯片內(nèi)部集成了一個八位的可編程微 處理器，對外有16個可編程控制的I/O口，16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線及相應(yīng)的控制信號，可方便擴展外部ROM以及與外部器件通訊 。本文中對RSC-364的資源使用情況為：其P1口用于傳輸與控制命令相應(yīng)的控制碼，P0.7口用于啟動無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

3．1．2 無線發(fā)送模塊

為了提高無線收發(fā)的可靠性，本文采用集成的射頻發(fā)送模塊F05C和編程芯片PT2262組成無線編碼發(fā)送模塊。PT2262外圍電路簡單，只需外接一個電阻調(diào)節(jié)載波頻率。PT2262的電源電壓范圍廣，4～15V均能正常工作。PT2262可以對12位二進制信號進行編碼輸出，足以滿足本文的要求。PT2262的控制也極為簡單，在PT2262的TE端為0時，PT2262自動將地址引腳和數(shù)據(jù)引腳A0～A11的數(shù)據(jù)編譯成適合RF電路發(fā)射的串行編碼波形，然后通過DOUT端口串行輸出。應(yīng)用時只需將PT2262的DOUT端口連接到RF電路的數(shù)據(jù)輸入端即可將數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)送出去。本文中RF電路選用集成的射頻發(fā)送模塊F05C。F05C采用聲表諧振器穩(wěn)頻，SMT樹脂封裝，頻率一致性較好，免調(diào)度。F05C具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性，當(dāng)發(fā)射電壓為3V時，發(fā)射電流約為2mA，發(fā)射功率較小；12V為工作電壓，具有較好的發(fā)射效果，發(fā)射電流約為5～8mA；當(dāng)發(fā)射電壓大于12V時直流功耗增大，有效發(fā)射功率不再明顯提高。F05系列采用AM方式調(diào)制以降低功耗。因為本文無線發(fā)送的命令的種類較少，所以不需要全部使用PT2262的12個數(shù)據(jù)引腳，鑒于RSC-363內(nèi)核和AT89C51均為八位機，為了數(shù)據(jù)傳輸方式，只使用PT2262的低八位數(shù)據(jù)引腳傳輸數(shù)據(jù)，其余的四個數(shù)據(jù)引腳直接接地，其上數(shù)據(jù)沒有意義。
3．2 車載控制部分

車載控制部分主要由無線接收模塊（射頻接收模塊、解碼芯片）、車載處理器和電機控制模塊（圖中略）組成，如所示。其功能就是接收遙控器發(fā)出的無線電信號產(chǎn)解碼，送入車載處理器，經(jīng)過計算產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制三個電壓工作，使小車產(chǎn)生預(yù)期的動作。

3．2．1 無線接收模塊

無線接收模塊由射頻接收模塊J05C和解碼芯片PT2272組成。J05C是F05C的配對功能模塊。J05C采用超外差電路結(jié)構(gòu)和溫度補償電路，具有較高的接收靈敏度及穩(wěn)定性，芯片內(nèi)含低噪聲射頻放大器、混頻器、本地振蕩器、中頻放大器、濾波器及限幅比較器，輸出為數(shù)據(jù)電平信號。其功能是自動接收無線電波并對電波進行處理，輸出適合解碼芯片解碼或單片機解碼的波形。PT2272是PT2262的配對芯片，其外圍電氣特性和PT262相同。工作時，PT2272自動對從DIN端口輸入的編碼波形進行解碼，解碼成功則將地址和數(shù)據(jù)輸出到對應(yīng)的地址引腳和數(shù)據(jù)引腳，同時將EN端口置為高電平，數(shù)據(jù)在各個引腳上的排列順序和PT2262完全楨。和無線發(fā)送模塊相對應(yīng)，這里也只使用其低八位數(shù)據(jù)引腳傳輸八位有效數(shù)據(jù)。
3．2．2 車載處理器

車載處理器采用常用的MCS-51系列單片機AT89C51。AT89C51是8位單片機，其片內(nèi)集成有4K的程序存儲器，能夠滿足一般的應(yīng)用。單片機有8位外部數(shù)據(jù)部遲疑不決和16位外部尋址地址線，支持外擴程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。片內(nèi)集成兩個16位的定時/計數(shù)器，兩個外部中斷口，32位雙向I/O口。在本文的應(yīng)用中，單片機采用中斷工作方式。P2口和無線接收模塊的解碼芯片的數(shù)據(jù)端口的低8位相連，用于接收解碼的數(shù)據(jù)。解碼芯片的EN端口和單片機的外部中斷口INT0相連，解碼芯片解碼成功時會自動通過EN端口向單片機申請中斷，單片機進入中斷處理程序，接收解碼后數(shù)據(jù)。因為EN端口是高電平有效，而INT0是低電平有效，所以EN需要通過一個反向器和INT0連接。單片機的P1口用來輸出PWM波，控制轉(zhuǎn)向電機和兩個驅(qū)動電機。每個電機需要兩個端口進行驅(qū)動，分別用于電機的正反向選擇。P1口每位的具體定義為：P1.0和P1.1用來控制轉(zhuǎn)向電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；P1.2和P1.3用來控制左后輪驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；P1.4和P1.5用來控制右后輪驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3．2．3 電機控制模塊

電機的驅(qū)動采用雙向PWM脈寬調(diào)制方式控制。采用這種控制方式可以方便地實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速變化。電機驅(qū)動電路如所示。其工組原理為當(dāng)P1.0端口為高電平、P1.1端口為低電平時，三極管Q5導(dǎo)通，Q5導(dǎo)通又導(dǎo)致Q3和Q2導(dǎo)通，則電流從電源通過Q2、直流電機和Q3構(gòu)成回路；當(dāng)P1.0端口為低電平、P1.1端口為高電平時，三極管Q6導(dǎo)通，Q6導(dǎo)通又導(dǎo)致Q4和Q1導(dǎo)通，則電流從電源通過Q1、直流電機和Q4和Q1導(dǎo)通，則電流從電源通過Q1、直流電機 和Q4構(gòu)成回路，且電流方向和前面相反，即電機轉(zhuǎn)向發(fā)生變化。通過控制P1.0口和P1.1口電平的高低和高電平導(dǎo)通的時間，就可以控制電機的正、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。

4 實驗結(jié)果

本文設(shè)計的小車的長度為210mm，寬度為100mm，前后輪距為150mm，小車的轉(zhuǎn)變角度為45度。小車可以識別的總的命令條數(shù)為16條。左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)各4條，對應(yīng)的轉(zhuǎn)向角度分別為5度、15度、25度、45度；停止1條；前進5條，對應(yīng)于五級不同的前進速度；后退兩條，對應(yīng)兩級不同的后退速度。
該小車各部分采用模塊化設(shè)計，各個模塊之間獨立性強?？刂撇糠植捎每删幊涛⑻幚砜奁?，可以在不增加系統(tǒng)硬件的情況下方便地對系統(tǒng)進行二次開發(fā)。本文對一輛小車進行了實驗，實驗結(jié)果表明，語音識別系統(tǒng)在低噪聲環(huán)境中識別率很高，在噪聲水平較高的場合，識別率有所下降。小車反應(yīng)靈敏。