【文章內(nèi)容簡介】 術的基礎是測距技術?，F(xiàn)在常用的測距手段有超聲波、紅外線、微波等 。由于本設計采用了超聲波，因此本章就超聲波測距技術作詳細介紹。 隨著時代的發(fā)展，越來越多的自動化設施被用在生活 生產(chǎn)的各個方面。而自動化的一個重要組成部分就是對物體的自動探查并自動 做出 反應，因此探障技術越來越得到人們的重視并得到了長足發(fā)展。在現(xiàn)今，探障技術的一個重要用途就是汽車電子。倒車雷達系統(tǒng)就是探障技術的一個很好的應用，當司機倒車失誤時，它可以避免相撞從而避免不必要的損失。也可以展望，如果智能測距技術可以應用在汽車的行使安全中，當有障礙時自動選擇合適路徑進行避讓，就可以大量減少車禍的發(fā)生。 超聲波探障就是指利用超聲波對物體進行測距探障， 而超聲波是指 超過 20KHz的聲波 。常用的超聲波頻率為幾十 KHz 到幾十 MHz。 超聲波的特點 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高 、 波長短 、 繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好能夠成為射線而定向傳播。超聲波對液體 、 固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可以穿透幾十 米 的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成放射波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。它具有兩種形式：橫向振蕩 (橫波 )及縱向振蕩 (縱波 )。在工業(yè)中應用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體 、 液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反 射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHz，而在固體 、 液體中則頻率較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小傳播較遠。利用超聲波的特性，可以做成各種超聲波傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲儀器及裝置，并在通訊，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應用。 超聲波傳感器簡介 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機 械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 4 波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖 11 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了 [2]。 性能指標： (1) 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 (2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 (3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。 共 振 板電 極壓 電 晶 片 圖 11 超聲波發(fā)生器結構 課 題的主要研究內(nèi)容 在緒論中對該小車的研究意義做了 簡要說明。由于小車實現(xiàn)運用到的主要是聲音識別及超聲波測距，因此在這里對它們進行了介紹。 課題的主要研究內(nèi)容為： 1. 根據(jù)語音辨識原理設計并實現(xiàn)能夠聲控的小車系統(tǒng)。 2. 根據(jù)測距原理設計并實現(xiàn)能夠自動避障的小車系統(tǒng)。 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 5 第 2章 智能小車的 設計思路 語音識別 及超聲波探障 原理 語音識別 原理 雖然語音識別系統(tǒng)有多種分類方法，但基本原理、所采用的基本技術相似。語音識別的原理圖如圖 21 所示。 首先，要根據(jù)人的語音特點建立語音模型，對輸入的語音信號進行分析，并抽取所需的語音特征，在此基 礎上建立語音識別所需的模板。在識別過程中，要根據(jù)語音識別模型將計算機中存放的語音模板與輸入的語音信號的特征進行比較，根據(jù)一定的搜索和匹配策略找出最優(yōu)的與輸入的語音匹配的模板。然后，根據(jù)此模板的定義，通過查表就可以給出識別結果。顯然，這種最優(yōu)的結果與特征的選擇 、語音模型的好壞、模板是否準確都有著直接的關系 [3]。 預 處 理語 音 特 征 參數(shù) 分 析測 度 估 計 識 別 決 策標 準 模 式 專 家 知 識語 音 信 號訓 練模 式 匹 配結果輸出 圖 21 語音識別過程 超聲波測距原理 由物理學知，聲波屬于彈性機械波，由于超聲波反射能力很強，而且波長也遠比一般的平面反射物表面粗糙度 大，所以通常對堅硬物質(zhì)表面都能反射，利用這一特性，可以將超聲波用于物體定位。 發(fā) 射 波反 射 波傳 感 器障 礙 物 圖 22 超聲波測距原理 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 6 本設計中使用的測量方法是“回波法”，其基本原理如圖 22 所示。傳感器發(fā)出一定頻率的超聲波，超聲波遇到物體就會被反射回來 被 傳感器接收，計算出這期間的時 差并乘以 超聲波的速度，這樣物體的距離就可以計算出來了。 小車功能 1. 運動方向 小車可以實現(xiàn)前進、后退、左轉、右轉 。 2. 聲音控制 可以通過直接的語音命令控制小車的動作。但在命令時，發(fā)出的語音命 令要與訓練時的命令相互一致。 3. 智能避障 當小車前方遇到障礙物時，小車會自動選擇轉向避開障礙物而不用語音控制。 設計思路 硬件設計思路 在本設計中，最終目的是設計出一個可以進行聲音控制以及自動躲避障礙物的智能小車。因此，應該考慮到以下幾個問題： 問題 ； ； ； 障的實現(xiàn)問題 ； 除了以上幾點，在考慮各個問題的同時要時刻考慮到各功能之間的協(xié)調(diào)問題以及實現(xiàn)的難易程度、成本等。整個設計都是圍繞著單片機展開的，所以第一個問題的解決尤其重要 。選擇不同的單片機，其它部分的具體解決方案也會有所不同。 首先，控制芯片選擇了 SPCE061A 型 16 位 單片機。 SPCE061A 具有出色的語音識別功能 ，在內(nèi)部 集成了 A/D 和 D/A 轉換電路。因此，處理器選擇 SPCE061A 可以使得電路得到簡化，語音控制部分的實現(xiàn)也簡單許多。只需要配合一定的外圍電路，就可以實現(xiàn)音頻的輸入和輸出功能。識別部分同樣由于使用 SPCE061A 簡化許多，其內(nèi)部集成有聲音識別器，可以識別傳入單片機中的數(shù)字語音信號 [4]。 其次，小車的運動由兩個獨立的步進直流電機來完成。一個實現(xiàn)前進和后退，另 一個實現(xiàn)左轉和右轉。這樣選擇的優(yōu)點是實現(xiàn)起來比較簡單，配合驅動電路最終利用四個 I/O 口就可以協(xié)調(diào)控制小車的運動。但這樣選擇的缺點是不夠靈活 ，但應用起來較前兩個簡單許多。另外，用兩個直流電動機在價格上比較低廉。因此，對于運動的靈活性要求不是很高的前提哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 7 下，選擇該方案完全可以很好的達到目的。 避障的實現(xiàn)選擇了超聲波 ，它價格低廉也比較好實現(xiàn)。在該設計中，選擇了 兩個 普通的 電氣式 超聲波傳感器，一個發(fā)送一個接收。在只假設前方有障礙的情況下，將這兩個超聲波傳感器安裝在小車的前方就可以達到目的。如果想要得到更好的避障效果，可 以在小車的后面以及兩個側面分別安裝超聲波傳感器，但是相應的電路會復雜許多，也會增加難度軟件控制 [5]。 最后，考慮到供電問題，設計中除了由小車本身的電池槽供電外，超聲波探障部分還可以外接電源。 軟件設計思路 在 編 寫程序之前需要根據(jù)小車要實現(xiàn)的功能對軟件部分進行模塊劃分 ， 這樣可以避免在設計時手忙腳亂容易出錯的問題，更減少了各模塊出現(xiàn)沖突的可能。而且在程序調(diào)試階段比較容易找出問題。 由小車的硬件組成以及實現(xiàn)功能 可以 將 程序分為 三個部分。 第一個部分為小車的驅動程序，也就是可以使小車前進 、 后退 、 左轉 、 右轉的程序。 這個部分是整個程序的基礎，其它程序最終都要調(diào)用這個部分的程序對小車進行控制。 第二個部分是避障部分。設計這個部分時，應該配合超聲波測距原理來編程，重點是對發(fā)射波與反射波之間時間差的計算。 第三部分是語音控制部分。這個部分的觸發(fā)是由訓練者的聲音觸發(fā)的，并且這個部分的優(yōu)先級應該設為最高，當語音控制與避障發(fā)生沖突時應當執(zhí)行語音控制。但應該注意到，雖然語音控制不像是避障部分那樣一直都在進行，但是它的識別功能始終都是運行著的。 最后，應該注意對各部分的協(xié)調(diào)。包括對寄存器 、 中斷 、 I/O 口等資源的分配，特別是避障部分與語 音控制部分的協(xié)調(diào)問題，由于這兩個部分始終都在同時運行著的，所以非常容易產(chǎn)生沖突。另外，在使用中斷時一定要注意對現(xiàn)場的保護以及恢復，并且應當在各個模塊與函數(shù)后作出標注，重點說明程序入口與返回值等等以便調(diào)試時查錯。 SPCE061A 提供了多種音頻壓縮算法，不同的算法有不同的特點。結合實際情況，選擇了 SACM_S480，它的特點是壓縮比大，計算量大，音質(zhì)不高。 小車的 組成部分 及 工作過程 小車的 組成 部分 1. 底座 其它各個部分均安裝在這個部分之上，除此之外，這個部分的一個重哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 8 要功能就是為小車提供動力。它的前后各 安裝有一個驅動電壓為 5V 的步進電機。前面的電機控制轉向，后面的電機提供動力。 2. 驅動電路板 安裝在底座之上。它由十二個三極管以及八個電阻組成，目的是實現(xiàn)用四個 I/O 口來控制兩個安裝在底座上的電機的運轉，以便與單片機相連從而達到單片機控制電機的運轉。 3. 控制電路板 安裝在最上層。它也是聲控智能小車的核心。它由單片機及其外圍電路、聲音采集電路、以及避障電路組成。主要任務是實現(xiàn)對命令的執(zhí)行以及協(xié)調(diào)各部分工作。 單 片 機單 片 機 外 圍 電 路超 聲 波探 障動 力 電 動 機 驅 動 電 路轉 向 電 動 機 驅 動 電 路接口安 裝 在 驅 動電 路 板 之 上轉 向 電 機動 力 電 機電 池 槽安 裝 在 小車 底 座 上聲 音 采集 電 路 圖 23 小車的組成 框圖 小車工作過 程 S P C E 0 6 1 A超 聲 波 發(fā)送 傳 感 器超 聲 波 接收 傳 感 器單 片 機 外 圍 電 路音 頻 輸 入電 路音 頻 輸 出電 路超 聲波 發(fā)送 電路超 聲波 接收 電路轉 向 驅 動 電 路動 力 驅 動 電 路轉 向 電 機 動 力 電 機 圖 24 小車 結構圖 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 9 如圖 24，小車的運行主要分為兩大模塊，即聲控模塊以及 探障 模塊。單片機將這兩個模塊的輸入數(shù)據(jù)進行 處理并 做出 相應的輸出到驅動電路，控制小車的運動。 另外，單片機還將對兩個模塊的運行進行協(xié)調(diào)控制，保證模塊之間不會發(fā)生沖突。 對于具體的運行過程，兩個模塊相對獨立，相互之間的聯(lián)系并不多。因此，以下將分別敘述。 聲控過程 首先要對小車進行 訓練，從而獲取聲音標準 。訓練完成后，小車就可以被聲控了。 當小車前進時， 說話者說出命令，音頻模 擬信號通過麥克風接收。麥克風接收到的音頻信號通過音頻輸入電路發(fā)送到單片機的麥克風專用引腳。通過引腳再傳送給單片機中的模擬 數(shù)字轉換電路，從轉換電路出來的信號是數(shù)字信號。最后將該數(shù)字語音信號與訓練所得到的語音庫相比較，比較結果相同后，調(diào)用相應的前進子程序。 單片 機的 I/O 口 與 驅動電路 相連 ，通過驅動電路上的三極管的道通與截止使得直流電動機的兩端產(chǎn)生電壓，正向電壓就正轉，反向電壓就反轉。 其他語音命令的執(zhí)行過程與原理都與此相同。 避障過程 同語音控制過程不同的是，自動避障是隨時都在進行的，并不需要有命令或者外界 的觸發(fā)。 首先從單片機發(fā)出一定頻率的周期信號， 該 信號 傳送給超聲波發(fā)射電路，這個周期信號經(jīng)過發(fā)射電路進行頻率調(diào)整再 傳送 給超聲波傳感器，從超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)送出超聲波。 超聲波不斷的由發(fā)射端發(fā)出，當前方有較大障礙物時，障礙物會將小車發(fā)出的超聲波反射回來。小車上的超聲波傳感器接收端收到被反射回來的超聲波后，會向 超聲波 接收 電路發(fā)出正弦信號。 信號經(jīng)過接收電路的 比較器后 由 正弦信號 轉換為數(shù)字脈沖信號 。脈沖信號傳送給單片機后，經(jīng)過與發(fā)送的脈沖進行時差計算。當時差小于預設數(shù)值時，表明小車即將撞上該障礙物。 這時，單片機停 止小車運動，調(diào)用左轉子程序。 小車進行左轉之后，單片機停止小車運動。調(diào)整小車方向，等待新的命令。這樣就完成了自動避障。 哈爾濱理工大學 遠東學院 學士學位論文 10 本章小結 在這一章中，首先介紹了語音識別以及探障原理。接下來 根據(jù)這兩個基本原理針對智能小車所要實現(xiàn)的功能提出設計思路，其中包括對單片機的選