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第１ 卷 第２ １
８
＃
２ ０
０ ６年 ４月
沈 阳
大 学
学
报
Ｊ
ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ
ＨＥＮＹＡＮＧ
ＵＮＩ
ＶＥＲＳ ＴＹ
Ｉ
Ｖ½ ． ８， ．
１１ Ｎ½ ２
Ａ½ ． ２ ００ ６
½
文章 编号 ：１０ ．２ ５ ２ ０ ）２０ ０ ．３
０ ８９ ２ （０ ６０ ．０ １０
基 于语 音 的智 ½机器 人 姿 态控 制
范立 南，姜广通 ，高洪 禹
（
沈阳大 学 信息工程 学院 ，½宁 沈阳 １０ ４ ）
１０ ４
摘
要：阐述了基于 ＳＣ ０１
Ｐ Ｅ ６Ａ单片机音控智½机器人的设计壤½
据语音½令对机器人的前进、
后退、
½
动、
跳舞及重新辨识、
左右瞄准、
发射等姿态进行控制，
而且还实现了自
动避障功½．
关
键
词 ：Ｓ Ｃ ０ １ 单片机 ；
Ｐ Ｅ ６ Ａ；
语音控制 ；
机器人 ；
自动避障
文献标识码 ：Ａ
中图分类号 ：ＴＰ ２ ３
７
单片机½为计算机技术 的一个重要分支、
嵌
人式系统的核心 ，
广泛用于工业控制 、
智½仪器、
机电一½化产品、
家用电器、
智½产 品、
个人数字
处理器等领域．
随着微 电子技术的迅速发展 ，
电子
模拟信号½化为 电信号 ，
最终 由 Ｓ Ａ Ｅ ６Ａ 的
Ｐ Ｃ ０１
Ａ Ｃ部分½化为数字信号 ， 编码后存人存储器
Ｄ
经
中．
语音数字信号编码与存 储器中的语音 ½数库
中的原有语音数字信号 编码相 匹配 ，
通过音频处
设计系统已进人 了片上系统时代 ，
单片机 的功½
也越来越强，
½其真正成为系统单片机…
１．
所设计的音控智½机器人利用单片机集成的
语音控制系统 ，
通过语音对机器人进行适时控制，
加人了自动判断处理的功 ½，
并且可以离线重复
理算法进行模式识别 ．
如果识别成功 ，
则进行相应
½令操½ ，
如机器人的前进、
后退、
跳舞 、
发射飞盘
等；
如果识别失败 ，
则等待语音½令再次输人 ．
机器人采用语音控制的核心是 Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ
Ｐ Ｃ ０１
单片机 ，
该单片机是一个 １ ½结构的微控制器 ，
６
是一款语音识别系统级芯片 ．
它将 Ｄ Ｐ Ａ Ｄ Ｄ
Ｓ 、 ／、 ／
Ａ、 Ａ Ｆ Ａ Ｈ以及运放、
Ｒ Ｍ、 Ｌ Ｓ
功放等电路集成在一
个芯片上，
而且拥有½够非常容易地 、
快速地处
½人不同人的语音½令 ．
½为½款高科技智½化
玩具机器人 ，
从某些方面½现了现代机器人智½
化、
人性 化 的发展趋 势 ．
１ 工½原理
本设计以凌阳公司 Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ单片机为核
Ｐ Ｃ ０１
心部件 ，
以机器人硬件为基本框架 ，
并添加一些辅
助的硬件电路 ，
如电机驱动电路、
红外避障电路等
构成 ．
机器人整½硬件结构如图 １
所示．
理复杂的数字信号且较高 的处理速度 的 ½ Ｐ Ｍ
Ｓ Ｔ
内核．
这样就½在 同一个芯 片上实现语 音识别、
语音合成以及语音回放等功½成为现实 【 ．
２
Ｊ
２ 硬件设计
整个机器人系统主要由
２ １ Ｓ Ａ 印 ６Ａ单 片机
． Ｐ Ｃ １
： ） Ａ单片机、
Ｈ６
Ｉ
机
器人框架、
电机驱动模块和 自
动避障模块等组成 ．
本系统采用 Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ½ 为系统的主控元
Ｐ Ｃ ０１
件 ．Ｐ Ｃ ０ １
Ｓ Ａ Ｅ ６Ａ主 要包括输 人偷 出端 口、
定时
器／
计数器 、 模½换 、 数½换、
数／
模／
串行设备输人
输出、
通用异步串行借 口、 电压检测和复½等部
½
图 １ 机 器 人 整 ½ 硬 件 结 构 图
分，
并且 内½在线仿真电路 ＩＥ接 Ｉ，
Ｃ
Ｚ 较高 的处
½
机器人姿态控制是 由 Ｓ Ａ Ｅ ６Ａ单片机语
Ｐ Ｃ ０１
音功½½数来实现的，
外界语音信号通过单片机
的 ＭＩ
Ｃ口进行采样 ，
通过 Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ单片机把
Ｐ Ｃ ０１
理速度½其½够快速 的处理复杂的数字信号 ．
采
用 Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ½为机器人 系统 的核 心部件 ，
Ｐ Ｃ ０１
利
用其所具有的语音处理 和 Ｄ Ｐ功½ ，
Ｓ
不仅可以实
收稿 日期 ：２０ 一Ｊ
０ ５ ２—１
７
基金项 目：½ 宁省 自然科学基金 资助项 目（０ ５０ １ ．
２ ０ ２ ０ ）
½者简介 ：范立南 （９ ４一）男 ，
１６
， ½宁北票人 ， 阳大学教授 ，
沈
博士 ．
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２
沈
阳
大
学 学 报
２ ４ 自动避 障
．
第１
８卷
在自
动避障方面利用了集成式模块 ＩＡ １０
Ｒ Ｓ ．．
之所 以选用 ＩＡ １０ 是因为 ＩＡ １０
Ｒ Ｓ ．，
Ｒ ＳＶ ． 是单红
外避障电路，
大部分元件½用的是贴片封装 ， 电
½
路板½积大大减小 ，
并有两个 ３的螺丝孔 ，
方便
安装 ．
如果将 Ｉ Ａ １０
Ｉ ． Ｖ ． 安装在机器人的前后左
ＺＳ
右，
可½成 ４面避障系统 ．电路½用 ４
线系统 即
Ｖ ½Ｇ Ｄ、Ｎ Ｂ Ｅ Ｏ Ｔ ＩＦ
½ 、Ｎ Ｅ Ａ Ｌ 、 Ｕ ＰＹ ，占用 主 Ｃ Ｕ 的 Ｉ
Ｐ
Ｏ
口少 ，
方便机器人添加其他的传感器 ．
应用 ＩＡ １０时， Ｅ Ａ Ｌ
Ｒ ＳＶ ．
在 Ｎ Ｂ Ｅ端输 入一
个脉½为 ６ ０ ½
０ 的½½信号 ，
Ｖ
信号发生器输 出的
３ ½
８ Ｈ 信号便会推动 Ｉ
½
Ｒ发射 管 ．
½有障碍物时 ，
信 号 反 射 回 来 被 Ｉ 接 收 头 接 收 ， 时 从
Ｒ
同
Ｏ ＴＵ
Ｕ Ｐ Ｔ输出½ 电平 （ ． Ｖ）
０５ ．
本设计采用两个 Ｉ Ａ ． 模块 ．
Ｒ ＳＶ１０
机器人左
右各一个 ，
放在机器人的前面 ，八”
“ 字½安装 ．
½推
进电
机 ½
Ｉ发射电 Ｉ
机
Ｉ
直流电 ２Ｉ
机Ｘ
３ ½件设计
音控智½机器人小½系统½件主要 由 ３
个部
分组成 ，
分别是主程序部分 、
中断程序部分 、
功½
模块½数部分 ．
Ｉ脚 ——
½——— Ｌ ————一
—— 电
部 机
——½—
广 ＿ １
—．
Ｌ
½ 皇兰‘ ½ 驱 Ｌ 厂
塞垫½ 电动
机
—
．
１片５
芯 ×½
Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ 片机
ＰＣ ０ １单
½件设计主要遵循模块化的思想 ，
½件设计
的思路如图 ３
所示 ．
图 ２ 机 器 人 框 架 的 硬 件 连 接 图
２ ３ 电机驱 动
．
开始 ½
½ 鬼 ½ 重新辨识 ½ 准备
小
½
Ｉ
采用 日本 东 芝 公 司 的 Ｔ ７６
Ａ ２ ７系 列 芯 片
Ｔ ７６ Ｂ ½ 为 电机驱动 芯 片 ． Ａ ２７ Ｐ是东
Ａ ２７ Ｐ
Ｔ ７６ Ｂ
芝公司生产的一款专用于小型直流电机驱动 的专
用芯片，
该芯片在相应的逻辑电平的控制下 ，
½够
蓥½ ½
½翥Ｉ翁½
Ｉ Ｉ ½塞
曩 羹½Ｉ
Ｉ Ｉ翥½
喜
图 ３ ½件 设 计 流 程 图
实现电机的正½、
反½ 、
停止和刹½ ４
种动½ ．
其
逻辑电平的工½ 电压 为 ６ ８ 驱动 电机工½
½１
Ｖ，
的电压为 ０ ８ 是一款单电源供电的芯片．
½１
Ｖ，
表１
所示为 Ｔ ７６ Ｂ
Ａ ２ ７ Ｐ中 ７个管脚 的定义 ，
这７
个管脚 中的 １ ２
和 连接到单片机的逻辑控制
指令输 出管脚 ， ３ ５管脚则分别连接到所要控
而 、
制的电机上 ．
表 １
Ｔ ７６ Ｂ
Ａ ２ ７ Ｐ管 脚 定 义
３ １ 主 程序设计
．
主程序部分是½件流程 的主框架 ，
确定程序
的入 口，
程序的执行过程 ．
主程序 的½用是执行各
个子功½ ，
完成系统的要求 ．
机 器 人 语 音 识 别 的 指 令 比较 多，
而
Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ板一次只½识别 ５
Ｐ Ｃ ０１
条指令 ．
为了解决
这个矛盾 ，
语音识别指令分为 ４ ．
组 这样整个程序
在宏观上就分为了 ４
个模块 ，
½充分实现语 音控
制的需求 ．
３２ 中断 程序 部 分
．
Ｓ Ａ Ｅ ６ Ａ共有 １ 个 中断源 ，
Ｐ Ｃ ０１
４
系统 只用到
了一个 ＦＱ— ＭＡ的 Ｆ Ｑ， 以实现语音 中断 ．
Ｉ Ｔ
Ｉ 用
３ ３ 功½模块 ½数部分
．
功½模块½数部分包括语 音播放模块、
语音
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第 ２期
范立南等 ：基于语音的智½机器人姿态控制
３
训练模块 、
机器人动½子½数驱动模块等 ．
这些½
前进 ½数 、
后退 ½数 、 拐 ½数 、
左
右拐 ½数 、 舞 ½
跳
数与主½数配合完成所有要求实现的功½ Ｊ
．
（）语音 播放模 块
１
数、
自动避障½数 、
发射飞盘 ½数等 ．
本机器人语音采用 Ｓ Ａ Ｅ ６Ａ的 Ｓ Ｃ
Ｐ Ｃ０１
Ａ Ｍ—
Ａ ００和 Ｓ Ｃ Ｓ８
２０
Ａ Ｍ— ４０压缩方法 ．
Ｓ Ｃ Ａ ００压缩算法压缩 比较小 （ ： ）
Ａ Ｍ— ２ ０
８ １，
４ 结
论
智½机器人经过一系列测试 ， 明该系统的
表
语音识别率达到 ９ ％以上 ，
７
从发 出语音指令到执
０ Ｉ
Ｔ，
所以具有高质量、
高码率的特点 ，
适用于高保真音
行该指令的延时小于 １０ＩＳ可以成功的 自动避
开正面距离 ５ ½以外的障碍物 ，
½
发射飞盘的最大
乐 和语音 ．
． ½，
． ½
½
Ｓ Ｃ Ｓ ８ 压缩算法 压缩 比较大 ８ ：，
Ａ Ｍ— ４０
０ ３ 存 距离为 ３ ３ 最大行进速度为 ３８ ½／．
储容 量大 ，
音质介 于 Ａ ００和 Ｓ ４ 间 ， 用 于
２０
２ ０之
适
语音 播放 ， “ 曲星” 库 ．
如 文
词
（）语音 训 练模块
２
随着人工智½和计算机技术 的发展 ，
语音遥
控将在人们的 日
常生活和生产领域起着不可估量
的½用 ，
语音遥控智½机器人 只是语音智½控制
在日
常生活应用的一个实例 ．
通过此设计可以证
明语音智½控制的理论 和实½ 的可行性 ，
为以后
该部分采用 Ｓ Ａ
Ｐ ½ ６Ａ内部的 Ａ Ｉ
１
Ｐ ½数 ．
Ｂ Ｒ— ½ ½ Ｄ
Ｓ Ｄ ½½ Ｇ½½ （ ）
½Ｓ
½Ｏ ；
Ｍ初始化．
Ｂ Ｒ—Ｔ ½
Ｓ
½½ ½½ ½
½（½ Ｃ ½½½ ½Ｄ， ½ Ｔ ½ ½
½ ½ ½½ ½½ —
½
Ｍ½½ ；
½）
训练½数 ．
Ｃ ½ ½½Ｄ
½ ½ ½ ½ ：½ 令 序 号 ， 围从 ０ ½０到
范
½０
ＯＦ Ｆ 每组训练语句½是唯一 的． ½½ Ｍ½½
½Ｆ ，
Ｔ½ ½ ½：
½
训练次数 ，
要求½用者在应用之前训练一或两遍 ．
Ⅸ、 Ｉ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½½ ；
Ｒ— ½½ ½ ½½ （½ ½ Ｓ ½½ ）
Ｒ½
½
Ａ ½
将语音智½控制广泛应用 于人类 日常生活、
生产
和无人危险½业提供理论和实践依据 ．
参考文献 ：
［½ 范立南，
１
李雪 飞，
尹授 远 ． 片微 型 计算 机控 制 系统 设计
单
［ ．
Ｍ½ 北京 ：
人民邮电出版社 ， ０４
２０ ．
［ ½ 范立南 。
２
王刚 。
李金 峰， ．基 于 Ｓ ＣＥ ６ Ａ单片 机 的音控
等
Ｐ ０１
智½机器人小½设 计［½ 仪 器仪表用 户 ， ０４ ½ （）１
Ｊ．
２０ 。１６ ：３
—
１
４．
［½ 李竟皎 ．
３
嵌人式语音技术及 凌阳 １ ½单片机应用 ［ ． Ｂ
６
Ｍ½ ½
京：
北京航空航 天大学 出版社 ， ０ ３
２Ｏ ．
［½ 求是科技 ．
４
典型模块设 汁实例导航 ［ ．
Ｍ½ 北京 ： 民邮电 出
人
版社 。 Ｏ ４
２½ ．
辨识中获取数据 ．
（）
３ 机器人姿态子½数模块
机器人的姿态子½数包括系统初始化 ½数 、
Ｐ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½Ｒ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½ ½Ｃ½ ½ ½ ½Ｉ ½ ½½ ½ ½ ½Ｂ½ ½ ½ Ｓ ½ ½
½
Ｆ
ＡＮ ½ ½，Ｊ ＡＮＧ ½½ ½ ½ ½，Ｇ½Ｏ ½ ½
Ｌ½½
Ｉ
Ｃ½ ½ ½½
Ａ Ｈ½ ½ ½
（ ½ ½ ½½½½ ½ ½Ｅ ½½½½½ Ｓ ½½½ ½ ½½，Ｓ ½½½ １０ ４ Ｃ ½ ．
Ｓ ½）½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ， ½½ ½½Ｕ½½ ½ ½ ½½ ½½１０ ４ ， ½ ½ ）
½ Ｉ
½
½ ½
½½
½
Ａ½ ½½ ½ Ｔ½ ½½½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ Ｐ
½½ ½：
½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½
½ ½½ ½½ ½½ ½ Ｓ ＡＣＥ０
６ Ａ ½½ ½－½½
１
½½½½ ½
½½½½ ½½ ½½
½½ ½ ½ ½．Ｔ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½½，½ ½½ ½ ½ ½½ ½，½ ½ ½½ ½ ½½ ，
½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ，½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½½ ½ ½ ½
½ ½½ ，½ ½ ½½
½½ ½ ½ ½
½½ ½½ ½，½½½½，½ ½ ½ ½， ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½½½ ½ Ｔ½ ½ ½½½ ½ ½ ½½½
½
½ ½
½ ½½
½
½ ，½ ½½½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½
½．
½ ½ ½ ½ ½½ ½½½
½
½ ½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ．
½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½½ ½½½ ½
½
½ ½
½
½ ½
½
Ｋ½ ½½ ½ ： Ｓ Ａ（Ｅ ６ Ａ ； ½½ ½ ½ ½ ½½½½ ½½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½½ ½ ½½ ½
½
½ ½ Ｐ ０ １
½½½ ½½
—
½½½ ½½ ； ½ ½ ½ ½½ ； ½ ½ ； ½ ½ ½½
½ ½½½
½ ½½ ½½ ½
½½ ½ ½½
½ ½
【
责任编辑
黄桂柏】
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