基于LM3S811的声控轮式机器人的研究与设计*

王文蓉

（广州科技贸易职业学院，广东广州 511442）

0 引言

随着机器人技术和语音识别技术的飞速发展，其应用已经深入到了军事、工业生产和民用领域，而语音控制的小型轮式机器人更是因为具有体积小、成本低、机动性能强等优点而被广泛应用[1-2]。

本论文以LM3S811芯片为核心，设计了一款声控轮式机器人。语音模块采用LD3320，经特定的麦克风处理后，通过AD转换，将数字信号发送给控制芯片处理，处理后的信号会根据不同的，语音命令转换为对应的数字信号传输到LM3S811中，从而改变PWM的占空比[3-4]，不同的占空比对应轮式机器人的不同运行动作，从而达到对轮式机器人的运行操作。

1 系统设计

本系统采用CortexM3系列的LM3S811芯片作为主控芯片，主要由语音识别模块、直流电机驱动模块、直流电机和红外传感器模块组成。其工作原理是：麦克风接受语音信号，由语音芯片处理后经AD转换，传送给主控芯片，由主控芯片根据不同的语音信号识别，从而能改变PWM信号的输出占 空比，不同的占空比会输出不同的信号控制电机实现不同动作的操作实现，由此设计完成一款语音控制的轮式机器人设计[5，8]。其硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

2 系统硬件设计

根据系统硬件框图，硬件设计主要从主控芯片的控制系统、语音识别模块和电机驱动控制模块进行阐述。

2.1 主控芯片的控制系统

本设计的主控芯片控制系统采用CortexM3系列LM3S811。其最小系统还包含时钟电路和复位电路。主控芯片主要为系统提供片上的ADC模块以及PWM模块。片上的ADC模块解决语音信号的AD转换，语音信号通过语音模块采集后，由于系统自带有16位的ADC，因此，采集后的信号由ADC处理。而PWM模块，主要是系统在对语音信号进行处理后，通过系统的主控芯片，会对系统输出的PWM信号进行处理，输出不同占空比的PWM信号来驱动电机转动，不同的PWM信号，经由L298N驱动器，驱动电机做出不同的运动，协调处理完成轮式机器人的正常运转。该主控芯片的PWM信号有6路，精度高。

2.2 语音模块

语音模块采用LD3320芯片，它是一款基于非特定人语音识别技术的语音芯片，具体强大的功能，可以一个系统支持多种场景，而且识别句子内容时还可以动态编辑修改，同时，它不需要外接任何的辅助芯片，即可实现语音识别、人机对话和声控等操作。其与系统主控芯片的接法原理图如图2所示。

图2 语音模块图

2.3 电机控制模块

直流电机控制模块由L298N芯片构成，主控芯片内部PWM模块生成不同占空比的PWM波驱动直流电机，控制其调速和调整方向。整个模块抗干扰能力强、设计工程中，设计了过电压和过电流保护功能、主控系统中共有6路PWM输出，精度高，对速度和方向的控制到位。

3 系统软件设计

软件系统整体框图如图3所示。

图3 系统软件整体框图

其中主要包含初始化函数、中断模块、主函数，通过软件设计框图，可以看出，其中最重要的部分就是中断模块部分。PWM模块改变小车行动、定时中断改变PWM的占空比等等都由此部分完成。在LMS3811中，中断主要由通用计时器（TIMER）和GPIO口发出。执行中断函数，改变PWM的占空比，从而改变小车的行为。中断函数的软件流程图如图4所示。

4 测试

系统的测试主要从通过语音的变化来直接，测试反映在轮式机器人在前进、后退、左转以及右运动的情况，准确度是否准确，处理速度是否达到要求。经过测试，各个模块运转顺利，每个动作都能按要求完成。设计达到预期目标，根据测评可以得出L298N直流电机驱动器驱动电机转动方向的特性以及运用PWM控制其模块运作的特性如表1所示。

图4 中断软件框图

表1 PWM控制模块运作特性表

根据实验的要求，在检测语音识别实测效果时，选择了4个不同音色，分别两男两女的试验对象，在相同的试验环境下，进行了相关测试，测试的命令次数为20次，经过测试，非特定人的语音命令测试的正确率超过95%。

5 结论

经过硬件和软件设计，完成了一款声控轮式机器人的设计，经过测试，可以得到以下两个结论：

（1）主控芯片输出的PWM信号对占空比的控制是非常精确的，对轮式机器人的运行控制是非常精准的；

（2）经本系统的最后测评，该系统的语音识别模块对非特定人的语音识别效率搞，准确率均达到了95%以上，由于测试环境下的微小嘈杂噪声，误差是在容许范围之内的，较好地完成了本系统的设计。

参考文献：

［1］贝旭颖，平雪良，高文研.轮式移动机器人里程计系统误差校核［J］.计算机应用研究，2018，35（9）：13-16.

［2］张铁，陈伟华，马琼雄，等.移动机器人里程计系统误差的校正方法［J］.华南理工大学学报，2014，42 （9）：7-12.

［3］Jung C， Chung W.Accurate parameter estimation of sys⁃tematic odometryerrors for two-wheel differential mobile robots ［J］.Journal of Mechanical Science and Instru⁃mentation，2012，3（3）：268-272.

［4］王卫华.移动机器人定位技术研究 ［D］.武汉：华中科技大学，2005.

［5］徐子力.从动轮式龙行机器人动力学分［J］.计算与测量技术，2017，9（44）：92-96.

［6］ Maoxun Li，ShuxiangGuo，Hideyuki Hirata，Hidenori Ishihara.A roller－skating./walking mode－based am⁃phibious robot［J］ .Robotics and Computer－Integrated Manu-facturing，2017（44）：17-29.

［7］ Zili Xu，Song Lu，et al.Dynamic Analysis of a Frog Skating Robot［C］.IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，Harbin，China，2016：2536-2540.

［8］彭金柱，卞英楠，周树亮.基于DRNN网络的轮式机器人鲁棒H_控制［J］.郑州大学学报（工学版），2017（9）：1-6.