语音定位智能寻源垃圾桶的设计讲解

合泰杯单片机应用设计竞赛初赛报告书

参赛编号：20160415 学校：重庆机电职业技术学院

作品名称：采用语音定位技术的随叫随到智能垃圾桶

指导老师：_____________________ 杨川 _____________________

参赛队员：_________ 向游李曼芸汤玲_______

采用单片机型号：HT66F70A_______________________

日期：2015年12月30日一、摘要

随着社会经济的不断发展，智能控制技术日益成熟。现代家居中，人们越来越注重各种电器家具布局的智能化，合理化，科学化以及人性化。本作品旨在设计一款基于

HT66F70A单片机控制的智能家居垃圾桶，该智能垃圾桶采用声音和红外传感器，通过延时估计法实现声源方位的实时检测，具有语音控制垃圾桶行进功能和红外避障功能，同时，智能垃圾桶能快速识别用户发出的各种语音指示，自动完成开启、关闭垃圾桶等动作，真正实现随叫随到，为人们的日常生活带来便利。本作品完成之后能够很好的管理垃圾桶满足用户的要求，符合科技型、可持续性发展社会的标准。

关键词：HT66F70A声源定位；语音识别；红外式传感器

二、作品介绍

2.1作品背景

随着中国城市和经济的迅速发展，人们的生活水平不断提高，人们在生活中产生的生活垃圾都需要垃圾桶放置，特别是老人、妇女或者残疾人，放置垃圾时存在的诸多不便、费时、费力等问题，提出了具有语音识别功能的智能垃圾桶设计方案，当用户想要扔垃圾时，只要一声令下，垃圾桶就会快速准确到达身边。同时为了符合节约型、可持续性发展社会的标准，产生了对垃圾桶智能管理的需求。传统垃圾桶存在占用室内面积，堵墙角过道，远程操控不

变，不卫生等现象。对于占用面积问题和不便捷问题，都是可

以通过智能管理来完美解决的。

2.2创作目的

为了在满足用户前提下最大限度的省时省力，解决垃圾桶使用便捷的问题，我们设计了一个语音识别系统，来控制垃圾桶的工作状态。生活中人们都需到一定的垃圾桶放置处扔垃圾，而且考虑到老人、孕妇或者有残疾的病人，所存在的不便、费时、费劲等问题日益突出。针对此问题，本系统提出了具有“随叫随到”功能的垃圾桶的设计方案，即当用户想要扔垃圾的时候，只要一声令下，垃圾桶就会快准确无误地来到身边。并且设计出了一套基于HT66F70A控制的具有语音识别技术的声控智能垃圾桶，实现了对其

“随叫随到”的控制。

三、作品功能与实用性

设计的作品系统结构包括垃圾桶车体机械结构、硬件控制电路和软件设计三部分。

其中车体机械结构为一部带万向轮的两轮驱动车体，能按照在不同地点处用户发出的声音指令，自动行驶到用户所在地。本设计通过语音识别模块识别出用户的呼叫命令，同时通过声源定位模块判断用户所处位置，再通过HT66F70A产生驱动电机的PWM信号，利用电机驱动模块驱动垃圾桶向声源方向行驶，并在行进过程中，利用避障模块自行避开障碍物。同时，该设计还支持用户对打开垃圾桶盖、关闭垃圾桶盖等语音控制。该设计将智能、便利、个性化融合在一起，为新时代的家居生活和高效率的办公带来方便、快捷和可靠。

四、设计原理

4.1作品工作原理

本系统采用盛群提供的高性能、低功耗的处理器HT66F70A芯片为核心控制器。系统包括电源模块、HT66F70A最小系统、声源定位模块、语音识别模块、避障模块和电机驱动模块。各个模块功能阐述如下：

声音采集：由拾音器声音传感器采集声音，通过两级放大电路对语音信号进行放大。

语音识别：Philips公司UDA1341TS专用的语音处理芯片，能对语音实现放大、滤波、采样、A/D或D/A转换及进行数字语音处理功能。

电机驱动：由HT66F70A产生PWM控制信号驱动电机工作。

避障：以红外式传感器探测障碍距离并采用漫反射式光电开关进行避障。

通过对采集的声音加以数字语音处理，将输人的语音信号经过音频数字信号编译码 器

UDA134仃S 处理后，与保存在Flash 中的参考样本进行对比，找出最佳的声音识别 效果，

然后由调用函数控制 HT66F70A 的I /0 口，指挥垃圾桶的运动。电机的驱动电

路则采用H 桥驱动电路，控制4个桥臂的导通与关断控制电机的运行状态， 使之正转反 转或者停转，进而控制垃圾桶的行驶。根据红外探测器发射头发出的光束，被障碍物反 射，接收头据此做出判断是否有障碍物。 HT66F70A 根据接收头电平的高低做出相应控

制，避免小车碰到障碍物。

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图1系统整体框图

4.2声源定位算法

针对声源定位，系统采用基于传声器阵列时延估计法来估测用户发声的方向。基于 时延估计的声源定位算法分为两个部分：(1)时延估计，即计算声源到两两传声器之间 的时间差。⑵ 方位估计，即根据时延和传声器阵列的几何位置估计出声源的位置，其 中时延估计的精度是关系到声源定位精确与否的关键因素。

(1)时延估计

时延估计采用广义互相关法。假设两传声器 m1和m2间距为d ,在没有混响的情况 下，两传声器接受到的信号

x

1

t 和

x

2

t ：

其中，St

为声源信号；：

'1、- 2是声波从声源到传感器的传播衰减系数；?是声 源传播到

h -

曰曰曰曰 最最最最

—

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__________ 1

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J

曰曰 最最

X 1 t 二 a 1S t mt

(1)

两个传感器所需延迟时间，即到达时延。n i t、n2 t为环境噪声。这时，到达时延（TDOA可以采用传统的互相关法进行估计，这时互相关方程为

RX1X2 =「12 ? ■ G xix2 ? ■ e j d，0=x2 ? ■.

（3）其中G xix2 ?■二EX xl「［是传声器1、2拾取信号的互相关谱'；是权函数；^x2「°F「Gx^「是广义互相关谱，这样到达时延为

根据上式选取不同的权函数‘12「就可得到到达时延的不同算法，它的选取可根据实际的声学环境选择相应的准则，使得R x1x2有个比较尖锐的峰值，得到最好的估计

效果Rx^ ?。的峰值处即为两传声器间的时延。但在实际应用中，权函数的选取是一个难点。目前用得较多的是基于互功率谱相位加权（CSP）法，其中加权函数选为

幻2""^?L这种方法通过对信号互功率谱的归一化，去除了信号的幅度信息，只保留了信号的相位特性，对于噪声和混响都有一定的抑制效果。

（2）方位估计

采用几何定位法，利用角度距离估计方位。利用两个拾音器摆成如图2所示，利用拾音器1和2接收到得时间差就可以检测出声源偏离主轴的角度9 o

由图2可得