基于DSP和FPGA的機器人聲控系統(tǒng)設計

作者：時間：2014-03-08 來源：網絡

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布，方程為：

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/241691.htm

其中，x(n)為漢明窗截取語音序列，序列長度為160，所以N取160，為對于無音信號E(n)很小，而對于有音信號E(n)會迅速增大為某一數(shù)值，由此可以區(qū)分詞的起始點和結束點。

3．3．3特征向量提取

特征向量是提取語音信號中的有效信息，用于進一步的分析處理。目前常用的特征參數(shù)包括線性預測倒譜系數(shù)LPCC、美爾倒譜系數(shù)MFCC等。語音信號特征向量采用Mel頻率倒譜系數(shù)MFCC(Mel Frequency Cepstrum Coeficient的提取，MFCC參數(shù)是基于人的聽覺特性的，他利用人聽覺的臨界帶效應[3]，采用MEL倒譜分析技術對語音信號處理得到MEL倒譜系數(shù)矢量序列，用MEL倒譜系數(shù)表示輸入語音的頻譜。在語音頻譜范圍內設置若干個具有三角形或正弦形濾波特性的帶通濾波器，然后將語音能量譜通過該濾波器組，求各個濾波器輸出，對其取對數(shù)，并做離散余弦變換(DCT)，即可得到MFCC系數(shù)。MFCC系數(shù)的變換式可簡化為：

其中，i為三角濾波器的個數(shù)，本系統(tǒng)選P為16，F(xiàn)(k)為各個濾波器的輸出數(shù)據(jù)，M為數(shù)據(jù)長度。

3．3．4 語音信號的模式匹配和訓練

模型訓練即將特征向量進行訓練建立模板，模式匹配即將當前特征向量與語音庫中的模板進行匹配得出結果。語音庫的模式匹配和訓練采用隱馬爾可夫模型HMM(Hidden Markov Models)，他是一種統(tǒng)計隨機過程統(tǒng)計特性的概率模型一個雙重隨機過程，因為隱馬爾可夫模型能夠很好地描述語音信號的非平穩(wěn)性和可變性，因此得到廣泛的使用[4]。

HMM的基本算法有3種：Viterbi算法，前向一后向算法，Baum-Welch算法。本次設計使用Viterbi算法進行狀態(tài)判別，將采集語音的特征向量與語音庫的模型進行模式匹配。Baum-Welch算法用來解決語音信號的訓練，由于模型的觀測特征是幀間獨立的，從而可以使用Baum-Welch算法進行HMM模型的訓練。

3．4 語音識別程序的DSP開發(fā)

DSP的開發(fā)環(huán)境為CCS3．1及。DSP／BIOS，將語音識別和訓練程序分別做成模塊，定義為不同的函數(shù)，在程序中調用。定義語音識別器函數(shù)為int Recognizer(int Micin)，識別結果輸出函數(shù)為int Result(void)，語音訓練器函數(shù)為int Train(int Tmode，int Audiod)，動作指令輸入函數(shù)為int Keyin(int Action[5])。

語音識別器的作用是將當前語音輸入變換成語音特征向量，并對語音庫的模板進行匹配并輸出結果，語音應答輸出函數(shù)將獲取的語音識別結果對應的語音應答輸出，語音訓練是將多個不同年齡、不同性別、不同口音的人語音指令輸入轉化為訓練庫的模板。為防止樣本錯誤，每個人的語音指令需要訓練2次，對于2次輸入用用歐氏距離去進行模式匹配，若2次輸入相似度達到95％，則加入樣本集。語音應答輸入函數(shù)是為每個語音庫中模板輸入對立的語音輸出，以達到語言應答目的。系統(tǒng)工作狀態(tài)為執(zhí)行語言識別子程序，訓練時執(zhí)行外部中斷，執(zhí)行訓練函數(shù)，取得數(shù)據(jù)庫模板，訓練完畢返回。程序框圖如圖3所示。

4 機器人的動作控制系統(tǒng)設計

4．1 FPGA邏輯設計
系統(tǒng)通過語音控制機器人頭部動作，頭部運動分為上下和左右運動2個自由度，需要2個步進電機控制，DSF完成語音識別以后，輸出相應的動作指令，動作執(zhí)行結束后，DSP發(fā)出歸零指令，頭部回到初試狀態(tài)。FPGA的作用是提供DSP接口邏輯，設置存儲DSP指令的RAM塊，同時產生步進電機驅動脈沖控制步進電機轉動方向和角度。
FPGA器件為動作指令控制單元，設計采用FLEXlOKE芯片，接收DSP數(shù)據(jù)后并行控制2路步進電機。FPGA內部結構邏輯如圖4所示，F(xiàn)PGA內部設置2個元件為電機脈沖發(fā)生器，控制電機的工作脈沖以及正反轉。AO～A7為DSP數(shù)據(jù)輸入端口，WR為數(shù)據(jù)寫端口，P1，P2為2個步進電機驅動芯片脈沖輸入口，L1，L2為電機正反轉控制口，ENABLE為使能信號。

RAM1和RAM2分別為2個步進電機的指令寄存器，電機脈沖發(fā)生器發(fā)出與RAM中相應數(shù)量的方波脈沖。DSP通過DO～D8數(shù)據(jù)端輸出8位指令，其中。D8為RAM選擇，為1時選擇RAM1，為0時選擇RAM0，DO～D7為輸出電機角度，電極上下和左右旋轉角度為120°，精度為1°，初始值都為60°，DO～D7的范圍為00000000～11111000，初始值為00111100。FPGA作為步進脈沖發(fā)生器，通過時鐘周期配置控制電機轉速，與初始值對應坐標決定正反轉。系統(tǒng)動作指令程序如圖5所示。