2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽 隨叫隨到垃圾桶設(shè)計(jì)

2011-2012德州儀器C2000及MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目報(bào)告題目：“隨叫隨到”垃圾桶學(xué)校：深圳大學(xué)組別：專業(yè)組應(yīng)用類別：先進(jìn)控制類平臺(tái)：C2000“隨叫隨到”垃圾桶摘要本系統(tǒng)以TMS320F2812為核心設(shè)計(jì)了一種智能家居裝置——“隨叫隨到”垃圾桶，實(shí)現(xiàn)了語音控制垃圾桶的運(yùn)動(dòng)。以拾音器作為聲音傳感器，采用延時(shí)估計(jì)法（TimeDelayEstimation，TDE）實(shí)現(xiàn)了聲源方位的實(shí)時(shí)檢測；采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了垃圾桶行進(jìn)的蔽障功能；同時(shí)，采用語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對用戶的前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識(shí)別。從而達(dá)到了垃圾桶“隨叫隨到”的智能化、人性化的目的。關(guān)鍵詞：TMS320F2812，智能家居，聲源定位，避障"Oncall"trashcanAbstractWedesignedanintelligencehouseholdappliance–an"oncall"trashcan，realizingthevoice-controllingmovement,withthedesigncenteredofTI'sdigitalsignalprocessorTMS320F2812.Thesystemdetectsaudiosignalbyusingapickupasasoundsensor,perceivingthedirectionofsoundsoucethroughtheextensionofestimation(TimeDelayEstimation.TDE).Moreover,theultrasoniccanshunobstacleswhilethemovementofthetrashcan.Bythisway,thegarbagecanismorehumanandintelligent,reachingthegoalof“on-call”intelligencetrashcan.Keywords:TMS320F2812,smarthome,soundsourcelocalization,shunobstacle目錄摘要 2Abstract 21.引言 42.系統(tǒng)方案 42.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 42.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 62.2.1聲源定位算法 6（1）時(shí)延估計(jì) 6（2）方位估計(jì) 72.2.2特定語音識(shí)別算法 72.2.3避障算法 83.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 93.1電源模塊 93.2聲源定位模塊 93.3語音識(shí)別模塊 103.5TMS320F2812最小系統(tǒng) 103.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 113.7避障模塊 114.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 124.1特定聲源定位算法模塊 134.2 避障軟件模塊 145.系統(tǒng)創(chuàng)新 156.評測與結(jié)論 166.1評測 166.2結(jié)論 17附錄 18參考文獻(xiàn) 191.引言隨著數(shù)字信號(hào)處理器的迅猛發(fā)展，智能控制技術(shù)也日益成熟。讓機(jī)器人聽懂人話，用聲音來操縱機(jī)器人進(jìn)行一系列的工作，使之能與人交流、配合人類、服務(wù)人類是越來越多的工業(yè)、商業(yè)、家庭及其他部門亟待發(fā)展的課題之一?，F(xiàn)代家居中，人們越來越注重家中各種家具布局的智能化，合理化，科學(xué)化和人性化。生活中人們都需到一定的垃圾桶放置處扔垃圾，而且考慮到老人、孕婦或者有殘疾的病人，所存在的不便、費(fèi)時(shí)、費(fèi)勁等問題日益突出。針對此問題，本系統(tǒng)提出了具有“隨叫隨到”功能的垃圾桶的設(shè)計(jì)方案，即當(dāng)用戶想要扔垃圾的時(shí)候，只要一聲令下，垃圾桶就會(huì)快速準(zhǔn)確無誤地來到身邊。并且設(shè)計(jì)出了一套基于DSP控制的具有語音識(shí)別技術(shù)的聲控智能垃圾桶，實(shí)現(xiàn)了對其“隨叫隨到”的控制。2.系統(tǒng)方案本系統(tǒng)以TMS320F28012作為核心控制器，以拾音器作為聲音傳感器，采用延時(shí)估計(jì)法，實(shí)現(xiàn)對用戶位置的實(shí)時(shí)檢測與自行判斷；采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)躲避行進(jìn)過程中的障礙，準(zhǔn)確到達(dá)用戶方位；同時(shí)，采用語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對用戶的前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識(shí)別，從而使得家居中常用的垃圾桶具有聲控避障功能，能“隨叫隨到”，體現(xiàn)了智能化，充滿了人性化。本系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩大部分。2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)硬件包括垃圾桶車體機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件控制電路。其中車體機(jī)械結(jié)構(gòu)為一部三輪小車車體，能按照在不同地點(diǎn)處的用戶所發(fā)出的聲音指令，自動(dòng)行駛到用戶所在地點(diǎn)。系統(tǒng)硬件控制電路總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括電源模塊、DSP最小系統(tǒng)、聲源定位模塊、語音識(shí)別模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其工作原理為：首先通過語音識(shí)別模塊識(shí)別出用戶的呼叫命令，同時(shí)通過聲源定位模塊判斷用戶的所處位置，再通過DSP產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)垃圾桶自行向聲源方向行駛，并在行進(jìn)過程中，利用避障模塊自行避開所遇障礙。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持用戶對垃圾桶前、后、左、右行駛或開啟、關(guān)閉垃圾桶蓋等語音控制。圖1為本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件包括聲源定位算法、特定語音識(shí)別算法和自動(dòng)避障算法，也是本系統(tǒng)的主要關(guān)鍵點(diǎn)。2.2.1聲源定位算法針對聲源定位，本系統(tǒng)采用了基于傳聲器陣列時(shí)延估計(jì)法來估測用戶發(fā)聲的方向。基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位算法分為兩個(gè)部分：（1）時(shí)延估計(jì)：即計(jì)算聲源到兩兩傳聲器之間的時(shí)間差；（2）方位估計(jì)：即根據(jù)時(shí)延和傳聲器陣列的幾何位置估計(jì)出聲源的位置，其中時(shí)延估計(jì)的精度是關(guān)系到聲源定位精確與否的關(guān)鍵因素。（1）時(shí)延估計(jì)（TimeDelayEstimation，TDE）時(shí)延估計(jì)采用廣義互相關(guān)法。假設(shè)兩傳聲器和間距為d，在沒有混響的情況下，兩傳聲器接受到的信號(hào)和為（1）（2）其中為聲源信號(hào)，是聲波從聲源到傳感器的傳播衰減系數(shù)。是聲源傳播到兩個(gè)傳感器所需延遲時(shí)間，即到達(dá)時(shí)延（TDOA）。為環(huán)境噪聲。這時(shí)，到達(dá)時(shí)延(TDOA)可以采用傳統(tǒng)的互相關(guān)法進(jìn)行估計(jì)，這時(shí)互相關(guān)方程為（3）其中是傳聲器1，2拾取信號(hào)的互相關(guān)譜，是權(quán)函數(shù)，是廣義互相關(guān)譜，這樣到達(dá)時(shí)延為。根據(jù)上式選取不同的權(quán)函數(shù)就可得到到達(dá)時(shí)延的不同算法，它的選取可根據(jù)實(shí)際的聲學(xué)環(huán)境選擇相應(yīng)的準(zhǔn)則，使得有個(gè)比較尖銳的峰值，得到最好的估計(jì)效果。的峰值處即為兩傳聲器間的時(shí)延。但在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)函數(shù)的選取是一個(gè)難點(diǎn)。目前用得較多的是基于互功率譜相位加權(quán)（CSP）法,其中加權(quán)函數(shù)選為。這種方法通過對信號(hào)互功率譜的歸一化,去除了信號(hào)的幅度信息,只保留了信號(hào)的相位特性,對于噪聲和混響都有一定的抑制效果。（2）方位估計(jì)采用幾何定位法，利用角度距離估計(jì)方位。利用兩個(gè)拾音器擺成如圖2所示，利用拾音器1和2接收到得時(shí)間差就可以檢測出聲源偏離主軸的角度θ。圖2幾何定位法由圖2可得（4）（5）由于AB距離和已知，時(shí)延可由式（1）~（3）算出，再由式（4）、（5）可求得聲源偏移正方向的角度θ，則可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使垃圾桶向用戶方位旋轉(zhuǎn)并前進(jìn)。2.2.2特定語音識(shí)別算法針對特定語音的識(shí)別，本系統(tǒng)采用凌陽語音芯片SPCE061A對所采集的語音進(jìn)行處理，其處理過程如圖3所示。首先要濾掉輸入語音信號(hào)的噪音并進(jìn)行預(yù)加重處理，提升高頻分量，然后線性預(yù)測系數(shù)等方法進(jìn)行頻譜分析，找出語音的特征參數(shù)作為未知模式，與預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比較，當(dāng)輸入的未知模式與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征一致時(shí)，計(jì)算機(jī)便識(shí)別輸入的語音信號(hào)并輸出結(jié)果。輸入的語音與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征完全一致固然好，但是，語音含有不確定因素，完全一致的情況幾乎不存在，事實(shí)上沒有人能以絕對相同的語調(diào)把一個(gè)詞說兩遍。因此，要預(yù)先制定好計(jì)算輸入語音的特征模式與標(biāo)準(zhǔn)模式類似程度（或距離度）的算法規(guī)則，把距離最?。醋铑愃疲┑哪Ｊ阶鳛樽R(shí)別相應(yīng)語音的方法。圖3SPCE061A識(shí)別過程2.2.3避障算法避障采用聲波反射原理，在測量過程中聲波信號(hào)由傳感器發(fā)出，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。因此可以采用時(shí)間差測距法，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S。即：S=v*Δt/2。式中v為超聲波在空氣中的傳播速度，該值與溫度有關(guān)，經(jīng)計(jì)算其在常溫下近似為340m/s，Δt為發(fā)射、接收信號(hào)的時(shí)間差。系統(tǒng)中在小汽車車前、后、左、右分別放置超聲波傳感器，可分別測量出垃圾桶與障礙物之間的距離，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近決定垃圾桶的轉(zhuǎn)向。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1電源模塊本系統(tǒng)的電源模塊如圖4所示，主要有：TMS320F2812芯片的核心需要+1.8V供電，I/O口需要+3.3V供電；凌陽語音芯片SPCE061A的5V供電；拾音器的5V供電；直流電動(dòng)機(jī)的5V供電。圖4電源模塊3.2聲源定位模塊聲源定位模塊主要包括拾音器構(gòu)成的麥克風(fēng)陣列和信號(hào)處理單元，如圖5所示。圖5拾音器與DSP連接圖本系統(tǒng)中麥克風(fēng)陣列選用2個(gè)拾音器來實(shí)現(xiàn)，其中拾音器具有低成本、噪聲小、保真度高、工作電壓范圍寬、耗電小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。其監(jiān)聽范圍為30-50平方米。由于拾音器所拾取的聲音信號(hào)太小，易受環(huán)境噪聲的影響，因此很有必要對聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過信號(hào)調(diào)理單元的處理，使之能夠滿足系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)采取兩級放大電路，主要用來將拾音器所得到的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大。又由于AD模塊不能采集負(fù)電壓信號(hào)，因此需要對放大后的電信號(hào)進(jìn)行偏置，使其不出現(xiàn)負(fù)電壓，便于DSP采樣，使之輸出的誤差更小。3.3語音識(shí)別模塊本系統(tǒng)以凌陽語音芯片SPCE061A的精簡開發(fā)板作為語音模塊來實(shí)現(xiàn)語音的識(shí)別，與專用的語音處理芯片相比，省去了必要的硬件設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。該芯片擁有8路10位精度的ADC，其中一路為專用聲音轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)電路，這為實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別提供了方便的硬件條件。SPCE061A還具有通用異步串行接口（UART）模塊，可以用來與TMS320F2812之間的串行通訊。借助于IOB端口的復(fù)用功能和UARTIRQ中斷，可以同時(shí)完成UART接口的接收與發(fā)送過程。SPCE061A與TMS320F2812通過串口進(jìn)行通信，如圖6所示。圖6語音芯片SPCE061A與DSP的連接圖3.5TMS320F2812最小系統(tǒng)“隨叫隨到”智能垃圾桶控制器的主要作用在于：接收和處理收到的各種傳感器信號(hào)，并通過決策后輸出合適的控制信號(hào)。由于需要處理的的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性和精確度要求高，數(shù)字信號(hào)處理器DSP顯然更為適用。本系統(tǒng)選用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心處理器。TMS320F2812具有32位定點(diǎn)的C28XTM內(nèi)核和150-MIPS的高速處理能力。TMS320F2812是一塊高集成度的控制芯片，片內(nèi)集成了12路的PWM輸出、12位ADC模塊、2個(gè)SCI異步串口，一個(gè)McB-SP同步串口，一個(gè)SPI同步串口，一個(gè)增強(qiáng)型CAN接口，7個(gè)定時(shí)器、6個(gè)比較器以及大量的GPIO口。利用TMS320F2812豐富的片上外設(shè)可以方便的采集和處理各種傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)地控制垃圾桶的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)完成與凌陽芯片之間的通信。3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)DSP控制器的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行：前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退等。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用H橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖8所示。圖8H橋驅(qū)動(dòng)電路Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)三極管組成四個(gè)橋臂，Q1和Q4組成一組，Q2和Q3組成一組，Q5控制Q2、Q3的導(dǎo)通與關(guān)斷，Q6控制Q1和Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷，而Q5、Q6由TMS320F28027的IO口來控制，這樣就可以通過IO輸出的高低電平控制四個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制垃圾桶的行駛。為了避免用分立元件帶來的電路板過于復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中使用了H橋驅(qū)動(dòng)元件L298N芯片。3.7避障模塊障礙檢測模塊作為對外部障礙信息的采集窗口，將行進(jìn)過程中障礙信息檢測出來，并傳遞給DSP控制器進(jìn)行處理。系統(tǒng)中采用的傳感器是UCM40T/R。如果傳感器接收到反射的超聲波,則通知DSP控制器有障礙物,反之則可以行駛。超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖如圖9所示。圖9超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、SCI通訊模塊、特定聲源定位算法模塊和避障軟件模塊。本系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖10所示。圖10軟件總體框圖4.1特定聲源定位算法模塊本系統(tǒng)的聲源定位算法主要基于傳聲器陣列時(shí)延估計(jì)法，利用AD采樣模塊檢測不同拾音器所接收到的聲音信號(hào)，算法實(shí)現(xiàn)上采用的是廣義互相關(guān)法。DSP采樣得到的波形接近為正弦波，將對應(yīng)采樣得到的值放入數(shù)組中保存，首先進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得出互相關(guān)譜。為了的避免誤差和雜音的干擾，進(jìn)行了多次計(jì)算去除了誤差較大的值。其算法流程圖如圖11所示。圖11聲源定位算法實(shí)現(xiàn)框圖同時(shí)，為了避免垃圾桶對接收到的任何聲音都進(jìn)行定位，本系統(tǒng)在定位時(shí)加入了語音識(shí)別，即只對需要的聲音進(jìn)行方位判斷，其算法流程圖如圖12所示。對特定聲音進(jìn)行語音識(shí)別的流程框圖如圖13所示。圖12語音辨識(shí)整體框圖圖13特定聲音的聲源定位流程圖避障軟件模塊避障軟件模塊采用一個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對時(shí)間的采樣。在垃圾桶上電后，首先在前進(jìn)方向上的兩個(gè)超聲波上電，并觸發(fā)其中一個(gè)超聲波的同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作，每個(gè)回波返回，都會(huì)觸發(fā)一次外部中斷，在外部中斷處理程序內(nèi)，將超聲波返回時(shí)間進(jìn)行記錄。同時(shí)啟動(dòng)另一個(gè)超聲波傳感器而關(guān)閉當(dāng)前工作的傳感器。實(shí)際上，在每個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)超聲波傳感器工作，并采集到數(shù)據(jù)。當(dāng)前面的兩個(gè)超聲波中的任何一個(gè)采集到的數(shù)據(jù)小于同定值(認(rèn)為有障礙物的值)時(shí)，才依次打開另外3對超聲波傳感器。超聲波避障流程圖如圖14所示。圖14超聲波避障流程圖5.系統(tǒng)創(chuàng)新本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）本系統(tǒng)充分利用了TMS320F2812的AD采樣、中斷、GPIO、SCI、定時(shí)器等功能，借助TMS320F2812的高速采樣和快速計(jì)算能力采集到并且計(jì)算出了微秒級的時(shí)間差信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化。（2）本系統(tǒng)創(chuàng)造性地提出了對特定聲音進(jìn)行聲源定位的方法，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶對用戶特定呼喚聲的判斷并定位，從而達(dá)到對用戶呼喚循聲前進(jìn)的目的。（3）所設(shè)計(jì)的垃圾桶能對用戶聲音指令進(jìn)行識(shí)別，可達(dá)到用戶“隨聲所欲”地控制垃圾桶的目的，從而使其具有人性化。（4）所設(shè)計(jì)的垃圾桶在行進(jìn)過程中不僅緊隨用戶的呼喚，而且在遇到障礙時(shí)，通過避障模塊能夠自行繞過障礙繼續(xù)緊隨