基于“香蕉派”的语音交互式机器人

摘 要 本文介绍了一款基于“香蕉派”全语音交互式的智能机器人，它能根据人的语言自动识别“行走”命令或“聊天”内容，并自主行走或与人智能交流。它以Banana PI开源硬件平台作为控制服务器，通过讯飞平台的语音识别和GPIO接口控制外置驱动器，实现语音交互式行走等基本功能。实验证明该机器人能够准确接收指令并做出反应，可靠性较高。并且无任何外设，使用方便。

【关键词】香蕉派 行走机器人 语音交互 Banana Pi

“香蕉派”（Banana Pi，简写为BPI），与“树莓派”类似，但是硬件配置更高、性能更强，对安卓（Android）系统的支持更好。其中，“树莓派”（Raspberry Pi，简写为RPi/RasPi/RPI）是一款基于ARM的微型电脑主板，只有信用卡大小，其系统基于Linux。它以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有多个USB接口和以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，具备所有PC的基本功能。

1 机器人系统简介

本款机器人的特点：

（1）零设置、零辅助，不需要遥控器、手机等任何辅助设备，完全根据语音命令智能响应；

（2）智能化的人机聊天，随着技术的发展即时提升智能化水平。

硬件可基于“树莓派”微型电脑主板，采用3代B型，安装Linux系统，使用C语言进行相应软件开发。也可以基于“香蕉派”微型电脑主板，采用BPI-M3型号，安装Android系统，相应软件开发使用与Java相似度很高的Android开发集成环境。以“香蕉派”为例，描述本机器人的设计开发过程。

2 硬件实现

整个系统分两步进行开发调试环境的搭建，首先是搭建“香蕉派”核心处理系统。其是一个袖珍的主板卡，但是“麻雀虽小，五脏俱全”，除去“香蕉派”主板外，还需准备一套标准通用的USB键盘和鼠标，一个显示器用于开发调试（开发完成后可以拆除）。两块电池用于整个系统供电，最后还需要准备预装了安卓系统的SD卡（对于SD卡要求读写最好在4MB/S以上、容量大于2GB）。

在完成核心处理系统的搭建后，再进行机器人外围系统的搭建，首先利用讯飞平台完成对机器人的“行走控制”或“聊天命令”的语音识别，然后利用“香蕉派”的GPIO接口，控制外置驱动器实现电机的使能、正反转控制。整个系统的硬件框图如图1所示。

2.1 “香蕉派”系统板

“香蕉派”BPI-M3是一款8核高性能单板计算机，兼容“树莓派”，还可以运行Android5.1、Debian linux、Ubuntu linux、Raspberry Pi系统。硬件配置为：1GHz ARM7 8核处理器，2GB LP DDR3内存，千兆以太网口，2个USB接口，支持2K高清视频输出。GPIO兼容Raspberry Pi B+，并能运行其ROM Image。开发板的正反面如图2所示。

2.2 电机驱动板

本模块使用L298N作为主驱动芯片，具有驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强的特点。其实物如图3所示，其中：

2.2.1 +12V接入口

电压范围：+5V～+35V，使用航模电池供电。

2.2.2 电机接口

OUT1、OUT2为电机A输出；OUT3、OUT4为电机B输出。

2.2.3 IO接口

ENA和ENB分别为A、B电机的使能端，一开始ENA和ENB各自的上下两个针脚是用跳线帽连接起来的，拔掉就可以接线了。IN1～IN4为IO控制输入，与树莓派的GPIO接口相连接。

2.3 系统板与电机驱动板连接

通过“香蕉派”的GPIO接口，控制电机驱动方向及速度，实现小车的前进、后退、变向。把电机接到L298N驱动板上面，然后把电池的正极接到12v接口，负极接到接地接口，5V输入从香蕉派的GPIO2接入。IN1、IN2、IN3、IN4分别接“香蕉派”GPIO的11、12、13、15号接口。如图4所示。

2.4 移动平台

本机器人使用奥松AS-2WD铝合金移动平台，它是2轮驱动，可安装多款直流电机与伺服舵机，并且可以搭载多款控制器、驱动器、传感器和无线射频模块等。其外形如图5所示。

2.5 电池与其它附件

电池供电使用两种：一是10000mAH的充电宝，为“香蕉派”核心处理板供电；二是“格氏ACE 3S 11.1V 2200mAh 30C”无人机航模电池，为电机驱动板供电。“香蕉派”内置麦克，不需要外接，但是无内置喇叭，所以，通过音频输出口外接一个绿色球形音箱。

3 软件实现

本机器人系统的软件设计主要分为两类，分别为实现流程框图如图6所示。

3.1 语音听写

3.2 语音识别

语音识别即语法识别，主要指基于命令词的识别，识别指定关键词组合的词汇，或者固定说法的短句。语法识别分云端识别和本地识别，云端和本地分别采用ABNF和BNF语法格式。本机器人使用了云端识别，实现方法如下。

4 总结

经过各硬件模块组装及调试，本款机器人完成后的外观如图7所示。

经实际使用后，得出本款机器人的智能化程度较高，基础功能已经比较完善。但依然存在诸多问题，系统多方面有待优化升级。

其中，由于香蕉派内置麦克拾音效果较差，影响了语音识别的质量，可选择外带设备提升性能；另外，限于时间原因，后续还需增加红外避障和自动跟随功能，红外避障，就是能够根据语音指令，自主完成避障行走。自动跟随，就是在语音设定好跟随模式后，可智能跟随在人身边，亦步亦趋。基于硬件电路图像处理的视觉导航技术，高智能情感移动机器人等技术是移动机器人发展趋势。

参考文献

[1]王江伟.玩转树莓派Raspberry Pi[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[2]丁伟雄，杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].煤矿机械，2005（06）.

[3]左国玉，刘文举，阮晓钢.声音转换技术的研究与进展[J].电子学报，2004（07）.

[4]徐國保，尹怡欣，周美娟.智能移动机器人技术现状及展望[J].机器人技术与应用，2007（02）.

作者简介

刘润暄（2001-），男，山东省济南市槐荫区人。山东省实验中学2016级。

作者单位

山东省实验中学 山东省济南市 250001