基于语音控制的智能轮椅

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摘  要：本设计基于飞思卡尔Kinetis®KL26P121M48SF4RM单片机，通过LD3320语音芯片接收语音信息，并传输到Kinetis®KL26单片机依次通过语音信息预处理、语音信息优化处理和特殊语音信息处理，对采集到的语音信息进行处理，提高对语音命令的执行力与准确性。针对语音信息以及其他传感器采集到的路况信息进行识别与跟踪监测。并将语音识别模块、超声波传感器、电机驱动模块等有效联结起来，组成了轮椅控制系统的主要部分，经由编程实现了轮椅的自动行驶、自动避障、语音控制等功能。本设计经验证明完全可以解放使用者的双手做到轮椅的自由操控，特别是超声波传感器的加入更是加大了轮椅的安全保障。

关键词：KL26P121M48SF4RM单片机;语音识别;LD3320

中图分类号：TN912.34;TP368.12      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）08-0032-03

Abstract：This design is based on Freescale Kinetis®KL26P121M48SF4RM single-chip computer. It receives voice information through LD3320 voice chip and transmits it to Kinetis®KL26 single-chip computer through voice information preprocessing，voice information optimization processing and special voice information processing in turn. The collected voice information is processed to improve the execution and accuracy of voice commands. Speech information and road condition information collected by other sensors are identified and monitored. The speech recognition module，ultrasonic sensor and motor drive module are effectively connected to form the main part of the wheelchair control system. The functions of automatic driving，obstacle avoidance and voice control of wheelchair are realized by programming. The design experience proves that the user’s hands can be freely manipulated，especially the addition of ultrasonic sensors enhances the safety of the wheelchair.

Keywords：KL26P121M48SF4RM MCU;speech recognition;LD3320

0  引  言

自步入21世纪，我国的老龄化情况越来越严重，随之老年人面临的问题越来越多，老年人的陪护问题成为现在的一大难题，越来越多的国家开始致力于功能丰富的轮椅的研究，随着互联网技术以及物联网技术的发展与普及，轮椅向智能化与人性化方向发展，逐渐取代功能单一、体型笨重的轮椅。智能轮将是轮椅发展的一大趋势。

自1986年英国开始研制第一台智能轮椅以来，人们就不仅仅关注于传统轮椅，人工智能赋予了轮椅更实用的功能，因此世界各国都对智能轮椅的研究注入了较大的投资。研究过程总是从简单走向高级，从最初最简单的运动、速度控制等到智能性，如具备了较好的交互性、适应性与自主性。

我国在智能轮椅方面的研究虽然起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比存在着一定的差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。从整体来看，相较于国外已经部分应用的针对于残障人士的智能轮椅，我國所研制出的轮椅功能相对简单，仅限于实现简单功能控制的声控轮椅，虽然在一定程度上满足了部分人的需求，但这并不能满足部分老年人的更多的需求。因此，本设计主要针对老年人的需求，研究的是基于语音识别的智能轮椅的控制。

1  设计方案

由于轮椅的受众群体主要是残疾人和老年人，他们对于轮椅的基本要求主要偏向于价格、故障率、维修是否便利等方面，因此模块化设计相较于其他方案，是最合适的选择。本轮椅是由语音模块、驱动模块、测距模块、电源模块和主控模块几部分组成的。语音模块通过Wi-Fi模块与主控模块相连，实现信号的接收与传输。驱动模块、测距模块、电源模块通过导线与主控模块相连接，确保实现最快的响应速度，进而确保整个系统的流畅运行。主控模块选用飞思卡尔KL26P121M48SF4RM单片机，保证程序完整无误地正确运行，测距模块选用雷达模块与超声波模块相结合的方式，确保整车和用户的安全，语音模块选用LD3320语音识别模块，实现经济与功能的平衡。整体工作图见图1所示。

2  主控模块

由于轮椅的适用人群较为特殊，因此，安全是首要条件。在满足安全的条件下进行选择时，确保轮椅的快速响应与提高轮椅的安全保障至关重要，故主控模块选用飞思卡尔KL26P121M48SF4RM单片机，运行频率为180MHz，带单精度浮点单元和8KB缓存。其多达32通道的DMA用于外设和存储器，可以降低CPU负载，实现更快的系统吞吐。因此，更快速的系统响应可以使轮椅获得更佳的反应速度，当用户下达指令后可以迅速地执行相应的指令，或者当轮椅检测到障碍物时可以迅速地执行相应的避障功能。

此单片机具有灵活的低功耗模式，运行功耗降至250µA/MHz，静态功耗降至9.0µA，支持全状态保留，不到6µS即可唤醒。静态功耗可低至250nA（VLLS0）。由于此轮椅完全由电能驱动，所以整车系统的运行依靠着一个强大的蓄电池来提供能量。所以，在有限的电能里，应该考虑将尽可能多的电能分配给驱动模块来使用，尽可能地延长轮椅的续航时间，为用户提供一个更可靠，更耐久的輪椅，因此，此单片机的低功耗功能完全符合此轮椅的需求。

3  语音模块

语音模块为整个轮椅系统的核心部件，语音控制功能也是此轮椅的一大特色，用户可以通过语音来控制轮椅的运动。同时，语音识别对于整个设计来讲是非常重要的一部分，其识别结果的精准度直接关系到轮椅整体运行的指令，对于其安全性能有着重大的影响。

语音识别的过程主要依靠具有语音识别功能的芯片来完成，其主要的流程包括：通过麦克风进行语音输入，预处理部分是将输入的语音内容进行频谱分析，将分析后的内容进行提取，选取其中具有显著特点的片段进行标记，标记后的内容与事先准备好的语音参考模式库中的内容进行匹配，匹配成功再进行处理，最后输出结果。其流程图如图2所示。

LD3320芯片不仅包含了语音识别处理器，还自带一些外部电路，比如A/D、D/A转换器、语音输入接口、语音输出接口等，这使我们的电路设计变得简洁，不需要过多的外接电路和辅助芯片。而它所含有的A/D、D/A通道精度很高，可达到我们对于语音高精度识别的要求，而其内部还可实现词条自主编辑，自主编辑词条量有50条，完全能够满足我们的设计要求。因此，综合各方面的因素来考虑，在语音识别部分，芯片的选取上，选择了LD3320芯片。

4  速度控制模块

本设计是配合电机模块进行使用，通过检测电机转速实现电机的闭环控制。在设计电机驱动模块时，采用桥式电路，桥式电机驱动电路主要分为双极性与单极性两种，双极性电机驱电路具有较多的交流输出电流，容易造成电机消磁并使电机发热。因而，此次模型搭建选择采用直流电动机可逆单极型桥式驱动器，其开关元件由4个N沟道功率MOSFET管组成，在额定工作状态下，它的稳定工作电流可以达到100A以上，很大程度上提高了电动机的转动力矩和转动速度。此驱动模块通过单片机控制可以实现对电机的正反转控制以及转速的调节。通过单片机可以实现对电机转速以及转向的快速控制。

5  电机模块

电机部分的主要任务是实现行走、控速以及刹车等功能，在实现这些功能的过程中，考虑到所需要的不仅仅是定速，还需要满足在各种情况下能够高完成度、高精度地执行命令控制的要求。

本系统采用24V直流减速电机3PC36GN-24，这类电机扭力大控制力强，通过与上述电机驱动模块配合使用，满足轮椅在运行过程中需要实现的前进、后退等功能，两个电机分别对称安装在轮椅两侧的左、右轮上，从机械方面来看，此类电机具有极好的过载能力和平衡性能，在轮椅运行过程中噪音小，贴合性高。

6  结  论

本文主要通过分析日常生活中人们所关注的重要社会问题，引出目前科技进步所面临的重大课题。基于智能汽车以及无人驾驶车辆，设计出一款基于语音处理的智能轮椅。本设计基于KL26P121M48SF4RM微控制器进行设计，采用LD3320语音芯片作为语音信息采集传感器，配和其他传感器进行路况检测与道路识别。通过模拟道路行驶过程中可能会遇到的路况，设计算法优化语音信息，选择最佳行驶路径，最终实现轮椅的稳定、安全、智能行驶，提升了轮椅的智能化与灵活性，解决了目前轮椅存在的诸多问题，具有广阔的发展前景。

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作者简介：贾豪（1997.05-），男，汉族，山东菏泽人，本科，研究方向：自动化。

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