基于DSP和FPGA的機(jī)器人聲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)于無音信號(hào)E(n)很小，而對(duì)于有音信號(hào)E(n)會(huì)迅速增大為某一數(shù)值，由此可以區(qū)分詞的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

3．3．3特征向量提取

特征向量是提取語音信號(hào)中的有效信息，用于進(jìn)一步的分析處理。目前常用的特征參數(shù)包括線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)LPCC、美爾倒譜系數(shù)MFCC等。語音信號(hào)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(yīng)[3]，采用MEL倒譜分析技術(shù)對(duì)語音信號(hào)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(nèi)設(shè)置若干個(gè)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(gè)濾波器輸出，對(duì)其取對(duì)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(gè)數(shù)，本系統(tǒng)選P為16，F(xiàn)(k)為各個(gè)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(hào)的模式匹配和訓(xùn)練

模型訓(xùn)練即將特征向量進(jìn)行訓(xùn)練建立模板，模式匹配即將當(dāng)前特征向量與語音庫中的模板進(jìn)行匹配得出結(jié)果。語音庫的模式匹配和訓(xùn)練采用隱馬爾可夫模型HMM(Hidden Markov Models)，他是一種統(tǒng)計(jì)隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)特性的概率模型一個(gè)雙重隨機(jī)過程，因?yàn)殡[馬爾可夫模型能夠很好地描述語音信號(hào)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(shè)計(jì)使用Viterbi算法進(jìn)行狀態(tài)判別，將采集語音的特征向量與語音庫的模型進(jìn)行模式匹配。Baum-Welch算法用來解決語音信號(hào)的訓(xùn)練，由于模型的觀測(cè)特征是幀間獨(dú)立的，從而可以使用Baum-Welch算法進(jìn)行HMM模型的訓(xùn)練。

3．4 語音識(shí)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(shí)別和訓(xùn)練程序分別做成模塊，定義為不同的函數(shù)，在程序中調(diào)用。定義語音識(shí)別器函數(shù)為int Recognizer(int Micin)，識(shí)別結(jié)果輸出函數(shù)為int Result(void)，語音訓(xùn)練器函數(shù)為int Train(int Tmode，int Audiod)，動(dòng)作指令輸入函數(shù)為int Keyin(int Action[5])。

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

4 機(jī)器人的動(dòng)作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 FPGA邏輯設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通過語音控制機(jī)器人頭部動(dòng)作，頭部運(yùn)動(dòng)分為上下和左右運(yùn)動(dòng)2個(gè)自由度，需要2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，DSF完成語音識(shí)別以后，輸出相應(yīng)的動(dòng)作指令，動(dòng)作執(zhí)行結(jié)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(shè)置存儲(chǔ)DSP指令的RAM塊，同時(shí)產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。
FPGA器件為動(dòng)作指令控制單元，設(shè)計(jì)采用FLEXlOKE芯片，接收DSP數(shù)據(jù)后并行控制2路步進(jìn)電機(jī)。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯如圖4所示，F(xiàn)PGA內(nèi)部設(shè)置2個(gè)元件為電機(jī)脈沖發(fā)生器，控制電機(jī)的工作脈沖以及正反轉(zhuǎn)。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(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片脈沖輸入口，L1，L2為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制口，ENABLE為使能信號(hào)。

RAM1和RAM2分別為2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的指令寄存器，電機(jī)脈沖發(fā)生器發(fā)出與RAM中相應(yīng)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(shí)選擇RAM1，為0時(shí)選擇RAM0，DO～D7為輸出電機(jī)角度，電極上下和左右旋轉(zhuǎn)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(jìn)脈沖發(fā)生器，通過時(shí)鐘周期配置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，與初始值對(duì)應(yīng)坐標(biāo)決定正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)動(dòng)作指令程序如圖5所示。

其中R1為DSP指令寄存器，R2為當(dāng)前坐標(biāo)寄存器，通過DSP的輸出坐標(biāo)與FPGA的當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行差值運(yùn)算來確定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度，優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)新的輸入指令的變化，結(jié)束當(dāng)前動(dòng)作以運(yùn)行新的指令，指令執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)清零，步進(jìn)電機(jī)回到初始狀態(tài)。

4．2 FPGA邏輯仿真