新能源汽车后备厢智能语音控制系统设计

吴 胜 冯宇航 林 楠

（三亚学院，海南 三亚 572000）

1 引言

随着汽车产业的大规模发展，汽车的价格越来越低，汽车的使用也越来越普及。随着汽车保有量的增加，各种舒适系统的开发日新月异。汽车后备厢舒适性开启方式逐渐引起人们重视，各种智能后备厢开启系统逐渐应用到中高端车型中。目前智能后备厢开启方式主要有智能钥匙感应距离定位方式、多雷达捕捉人体动态探测方式、雷达距离探测方式、多电容捕捉人体动态探测方式、红外线捕捉人体动态探测方式、后备厢底部脚踢传感器探测方式等，目前以后备厢底部脚踢传感器探测方式应用较多。但是，以上所采取的方式中都有不同程度的功能缺陷，主要体现在探测精度低、后备厢误开启、成本高以及部分产品使用不方便等问题。如距离感应方式，当有车主锁车后从车身边上走开时会有开启后备厢的动作，当车主购物回来带着较多物品时，用脚感应传感器的开启方式又不是很方便。这些问题的出现主要还是因为它们的控制方式单一，没有应用双认证导致的。因此，由特定语音控制开启后备厢的方式必将成为未来后备厢开启的新方式。

广州市英顿汽车配件有限公司早在2017年前后就提出了“君子动口不动手”，用了1 天时间思考、立项，2 天时间开发，1 天调试，自主研发了一款英顿电动尾门，并在实际中得到了应用。英顿也就成为国内较早开展声控电动尾门研发的单位，也吹响了智能语音开启后备厢的号角。吉利汽车2020 款博越智尊PRO 车型也配备了语音控制后备厢功能，是国内较早将语音控制后备厢功能应用在汽车的厂家。特斯拉Model Y 可以利用苹果手机软件和Siri 打开后备厢，是最早在新能源汽车上应用智能语音控制后备厢的车型。

本设计采用STM32 单片机为系统核心控制板，以新能源汽车后备厢实物为依托，内置智能语音数据库，当钥匙在检测距离范围内时，系统实时采集语音指令数据，实现新能源汽车后备厢智能、精准的语音控制开启和关闭。

2 系统硬件设计

针对目前智能后备厢控制采用的雷达距离探测等方式存在的不足，本文设计一款能够识别特定声音的新能源汽车后备厢控制系统。系统具有语音实时播报、特定语音识别、串口通信和智能人机交互功能，实现后备厢语音精准、可靠控制。需要对现有新能源汽车后备厢开启方式进行机械改造，以适应该系统控制。自动开关的动力部分采用舵机控制，选用MG995，TBS2701舵机，扭力15公斤，用于控制后备厢开启和关闭。当智能钥匙在感应范围内，并且系统检测到特定语音指令时，串口发送控制指令给舵机进行后备厢开关操作。当语音模块被唤醒，语音模块会通过语音播放的方式对车主的指令进行确认，当得到车主确定回复时开启或关闭后备厢。

2.1 系统架构选择

系统以STM32 单片机为核心控制板，前端为采集外部特定语音信号的信号收集装置，后端为舵机控制模块，用于开启和关闭后备厢。新能源汽车后备厢智能语音控制系统方案框图如图1所示。

图1 系统整体架构图

其硬件系统由电源模块电路、STM32 核心控制板、工作模式选择模块、特定语音识别模块、按键模块以及舵机控制模块等组成，系统硬件如图2所示。

图2 系统硬件

2.2 语音识别模块设计

当钥匙开关在检测范围内时，语音识别模块被唤醒，等待车主发出后备厢唤醒指令。为实现特定声音唤醒，确保非车主唤醒指令误触发系统工作，本设计采用云知声智能语音芯片US516P6 进行设计。该芯片可以针对不同的场景需求配置不同的语音交互方案，自动生成SDK程序，支持唤醒词自定义。系统集成了高精度AD/DA 转换电路，智能AI语音识别技术，可以方便实现特定人员语音识别与人机对话功能[1]。通过出口电路实现与音响喇叭的通信，对识别结果进行实时反馈，其接口及电路如图3所示。

图3 语音识别模块电路图

2.3 工作模式选择模块设计

工作模式选择是指对后备厢开启方式的选择，主要有两种模式：传统模式和语音控制模式。传统模式是车辆最初配备的开启模式，系统不干预原来的开启方式。语音控制模式是系统接管了后备厢控制方式，通过控制系统实现语音识别控制。工作模式选择采用拨码开关来实现，拨码开关实现电路如图4所示。

图4 工作模式选择模块电路

2.4 舵机控制模块设计

舵机控制模块是控制系统的末端，是系统开关后备厢执行机构的驱动电路，是集电机控制、伺服驱动、PWM 控制于一体的伺服控制单元，适合于各种对舵机控制精度要求较高的场合。PWM 的舵机伺服控制系统采用脉宽控制，以达到对电机行程的线性控制。该方案所选用的舵机基准信号周期为20ms，占空比范围0.5 ms ～2.5ms，1.5ms 这个基准信号定义为中位信号[2]。按所给的脉宽不同，可以实现0°～135°开启角度的控制，完全满足后备厢开关角度，在实际使用中通过测试可以将舵机变换角度调整到不同车型所对应的合适范围。舵机控制电路如图5所示。

图5 舵机控制电路图

2.5 钥匙信号检测设计

钥匙信号检测功能使用原车提供的智能钥匙检测系统，该系统由基站（车身）和应答器（无线钥匙）组成。钥匙与车身实时通信，通信方式为基站实时发送搜寻报文，该报文能够被信号范围内的应答器所识别，一旦识别到，钥匙就会反馈应答信号，实现身份验证。身份验证结果会反馈给ECU，实现开车门、开后备厢功能，我们设计的汽车智能后备厢系统接收该身份认证成功信号，作为系统实现声控的前提，只有系统收到该认证成功信号后才能进行身份识别操作以及开关后备厢的动作。

3 软件系统设计

软件系统是控制系统的灵魂，具有支撑系统内部协调工作的功能，软件系统的设计应该充分考虑到系统的兼容性、可操作性和人机交互的简洁性。本系统软件设计包含4个部分：系统主程序设计、语音识别程序设计、人机交互程序设计、语音播报反馈程序设计、串口通信程序设计。软件系统结构框图如图6所示。

图6 软件系统结构框图

3.1 系统主程序设计

新能源汽车后备厢智能语音控制系统上电后即可完成初始化工作，首先会播报当前后备厢状态是打开还是关闭，同时播报当前系统工作模式。工作模式有两种，一种是智能语音控制模式，一种是传统控制模式[3]。传统控制模式下，后备厢的开启通过钥匙开关或者汽车机械开关进行后备厢开关控制，同时发出语音提示。智能语音控制模式下，系统首先检测是否有车主钥匙接近，并识别其身份，当识别该钥匙身份合法后，唤醒智能语音识别系统。此时，系统会通过喇叭询问车主：“是否开启/关闭后备厢？”并实时监测音频输入端口是否接收到特定语音信息，同时监测后备厢状态。当语音系统检测到车主发出的“打开/关闭后备厢”的确切指令后，系统进行指令合法性判断，无误后则执行打开/关闭后备厢操作。当语音系统检测到否定内容或者为不合法身份人员的语音指令时，则保持后备厢状态不变，结束进程[4]。系统主程序流程图如图7所示。

图7 系统主程序流程图

主程序如下：

3.2 语音系统程序设计

语音系统上电后，首先开始对系统内时钟、串口、定时器等进行初始化，开始等待语音助手唤醒指令，如果系统检测到语音唤醒命令，则发出唤醒指令到系统，同时喇叭播报“智能语音控制模式”，然后系统进入循环检测状态，等待车主进一步语音指令[5]。当系统检测到有效指令时，执行相应操作，检测到无效指令，则保持系统状态不变。语音系统程序设计如图8所示。

图8 语音系统程序流程图

语音系统程序如下：

4 结语

本文所设计的新能源汽车后备厢智能语音控制系统由语音模块、按键模块、电源模块、STM32核心板以及舵机控制模块组成，系统采用降压稳压、语音识别、串口通信、人机交互等技术，实现了新能源汽车后备厢的智能语音控制，系统工作稳定可靠，语音识别准确率高，适合作为汽车后备厢语音控制开关使用。系统虽已实现自动语音识别控制功能，但仍然存在需要改进和完善的地方，如增加智能语音交互功能，使车主使用更安全。