CN104309964B - 一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶，实现了垃圾桶的听、转、走等功能。听，即识别用户的简单命令词；转，即转向所估计出的用户所在方位角；走，即移动到用户面前，属于语音人机交互技术领域。将垃圾桶命名为“小T”，当用户要丢垃圾时，只要说“小T过来”，小T识别用户命令后估计语者声源的方向角，并根据该方向角朝用户移动；当用户说“小T停下”时，小T识别出该命令后停下；当用户扔完垃圾后说“小T回去”，小T识别出该命令后回到原位置。本发明提供了友好的语音人机交互方式，用语音控制垃圾桶，满足了行动不便的老人、残疾人、孕妇或者卧床病人的使用要求，为智能家居、智慧医疗等应用场景带来极大的便利。

Description

一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶

技术领域

本发明涉及一种基于声学矢量传感器（AVS）的语音控制智能垃圾桶，其中涉及到基于AVS的语者声源方向角估计技术，语音端点检测技术和语音识别技术，属于语音人机交互和智能家居技术领域。

当用户要丢垃圾时，只要说“小T过来”，垃圾桶小T“听到”用户呼叫它就会估计出用户所在的方向角，并根据这个方向角朝用户移动，当用户说“小T停下”时，垃圾桶小T会识别出该命令后停下，当用户扔完垃圾后说“小T回去”，垃圾桶小T识别出该命令后回到原位置。

背景技术

随着技术的不断成熟和革新，智能技术的应用也更加广泛，如智能机器人、智能家居等等。“垃圾桶”作为人类生活中的必需品，它伴随着人类走过了每一个时代，尤其是在当今的居家用品和酒店用品市场更是必不可少。随着人们环保意识和审美水平的普遍提高，垃圾桶的种类和数量也在不断翻新和增加，人们更加注重它的美观和实用性，而产品也向着“小巧”和“智能化”方向发展。目前，国内大多数垃圾桶的智能化主要体现在红外感应自动开盖，当人的手或物体接近投料口（感应窗）约15cm-30cm时，垃圾桶盖便会自动开启，等垃圾投入完毕，垃圾桶盖又会自动关闭。 国外最先进的智能垃圾桶，也只是在垃圾桶的基本功能上增加额外的功能，如2012伦敦奥运会推出了一种“智能垃圾桶”，具有预防恐怖炸弹袭击的功能，并配备有无线网络设备和电子屏幕，能滚动播出广告、股市行情和即时天气状况等。

以上的垃圾桶并不能自主移动以提高更大的便利，无法满足行动不便的老人、残疾人、孕妇或者卧床病人的使用要求。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明的目的在于提供一种基于AVS的语音控制智能垃圾桶，当用户需要丢垃圾时，呼叫垃圾桶过来，垃圾桶就移动到用户跟前，用户不需要移动就可以很方便扔掉手中的垃圾，以满足行动不便的老人、残疾人、孕妇或者卧床病人的需求。

本发明的通过以下技术方案实现：

一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶，主要包括普通垃圾桶、驱动电机单元、舵机、微处理器控制单元、声学矢量传感器单元（AVS）、模数转换器和PC机控制平台。

所述普通垃圾桶用于盛装垃圾，并将其命名为“小T”。

所述驱动电机单元安装于垃圾桶的底部，用于控制垃圾桶的移动，与微处理器控制单元相连，由微处理器控制单元控制其前进、后退和停下。

所述舵机安装于垃圾桶的底部，用于控制垃圾桶的转向，与微处理器控制单元相连，由微处理器控制单元控制其转动的角度，与驱动电机单元一起控制垃圾桶朝用户所在的方向移动。

所述微处理器控制单元安装于垃圾桶的底部，用于与PC机控制平台进行串口通信，接收来自PC机控制平台发送过来的转动角度命令，控制舵机的转向和驱动电机单元的移动，并发送完成处理的响应信号给PC机控制平台。

所述声学矢量传感器单元（AVS）是一种新型麦克风阵列，安装在垃圾桶的顶部，作为音频信号采集器，与常用的ECM麦克风相比，AVS在结构上具有其特殊性：一颗AVS由1个全向压力传感器和2~3个正交放置的压力梯度传感器构成。它的空间结构紧凑，仅有1cm3左右大小，理论上，AVS是同位阵列，各个传感器接收到的音频信号在时间上对齐，且各通道接收信号存在固定的三角函数关系。AVS小体积的特殊优点，成为本发明垃圾桶，甚至是服务机器人听觉感知技术的有效解决方案。

所述模数转换器与AVS相连，与AVS一起实现音频信号的采集，获得四通道的同步数字信号输出，为进行语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计算法处理提供音频信号。

所述PC机控制平台作为语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计算法处理的平台，将语音识别和语者声源方向角估计结果通过串口通信将控制命令发送给垃圾桶微处理器控制单元，接收来自垃圾桶微处理器控制单元发送的响应信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点与有益效果：

1、本发明实现了垃圾桶的听、转、走等功能：听，即识别用户的简单命令词，如小T过来、小T停下和小T回去；转，即识别出用户所在的方向角度，使垃圾桶转向用户所在方向；走，即垃圾桶能移动到用户面前。

2、本发明提供了友好的语音人机交互方式，用语音控制垃圾桶的移动，不需要用户走到垃圾桶面前扔垃圾。只要用户说出垃圾桶小T能识别的控制命令词，垃圾桶就会根据用户的语音就马上移动到用户的面前，解决了扔垃圾的烦恼，也满足行动不便的老人、残疾人、孕妇或者卧床病人的使用要求，为智能家居和智慧医疗等应用场景带来极大的便利。

附图说明

图1为本发明的基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶的结构图；

图 2为本发明的基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其他实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶，首先利用安装在垃圾桶上的声学矢量传感器（AVS）采集空间中的语音，经模数转换器转换为数字语音信号。当用户需要扔垃圾时，呼叫垃圾桶小T，采集得到的数字语音信号在PC机控制平台上通过语音端点检测技术对语音段进行小词汇量的非特定人语音识别，当确定垃圾桶小T被呼叫了，则通过语者声源方向角估计技术确定用户所在的方向，控制垃圾桶自动走到用户身边，为用户扔垃圾带来极大的便利。

如图1所示，本实施例的一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶，主要包括普通垃圾桶、驱动电机单元、舵机、微处理器控制单元、声学矢量传感器单元（AVS）、模数转换器、PC机控制平台。

所述普通垃圾桶用于盛装垃圾；所述驱动电机单元安装于垃圾桶的底部；所述舵机安装于垃圾桶的底部；所述微处理器控制单元安装于垃圾桶的底部；所述声学矢量传感器单元（AVS）是一种新型麦克风，安装在垃圾桶的顶部；所述模数转换器与AVS相连；所述PC机控制平台与微处理器控制单元进行串口通信。

本实施例的普通垃圾桶作为盛装垃圾的装置，并将其命名为“小T”。

本实施例的驱动电机单元，包括电源驱动电路和驱动电机，用于控制垃圾桶的移动，与微处理器控制单元相连，由微处理器控制单元控制驱动电机实现前进、后退和停下。

本实施例的舵机用于控制垃圾桶的转向，与微处理器控制单元相连，由微处理器控制单元控制舵机转动的角度，与驱动电机单元一起控制垃圾桶朝用户所在的方向移动。

本实施例的微处理器控制单元由MCU、串口通信接口构成，与舵机和驱动电机单元相连，采用全双工的串口通信方式与PC机控制平台进行数据和命令的传输。微处理器控制单元接收来自PC机控制平台发送过来的转动角度命令，控制舵机的转向和驱动电机单元的移动，使垃圾桶向用户移动，并发送完成处理的响应信号给PC机控制平台。

本实施例的声学矢量传感器单元（AVS）是一种新型麦克风阵列，作为音频信号采集器，由1个全向压力传感器和2~3个正交放置的压力梯度传感器构成，与模数转换器相连。与常用的ECM麦克风相比，AVS在结构上具有其特殊性：它的空间结构紧凑，仅有1cm3左右大小，理论上，AVS是同位阵列，各个传感器接收到的音频信号在时间上对齐，且各通道接收信号存在固定的三角函数关系。

本实施例的模数转换器与AVS相连，具有模数转换和前置放大部分，与AVS一起实现音频信号的采集，获得四通道的同步数字信号输出，提供进行语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计的音频信号。

本实施例的PC机控制平台作为语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计技术和算法处理的平台，采用隐马尔科夫模型进行小词汇量的非特定人语音识别，和稀疏表示的单语者声源波达方向（DOA）估计技术进行语者声源方向角估计，将语音识别和语者声源方向角估计的结果通过串口通信将DOA信息和控制命令发送给垃圾桶微处理器控制单元，进而转化成垃圾桶移动的角度方向。

上述一种基于声学矢量传感器的语音控制智能垃圾桶的工作流程，如图2所示，具体过程为：

S1当用户呼叫小T时，由声学矢量传感器AVS采集音频信号，进行语音端点检测，通过隐马尔科夫模型进行小词汇量的非特定人语音识别；语音识别判断是否是叫“小T过来”，若不是则垃圾桶不进行动作，若是则进行S2；

S2利用S1中采集得到的同一段音频信号，采用稀疏表示的单语者声源DOA估计技术对用户进行语者声源方向角估计，将语音的DOA角度通过串口通信发送给垃圾桶微处理器控制单元，由垃圾桶微处理器控制单元控制驱动电机和舵机向用户所在方向移动，在移动的过程中AVS不断采集空间中的音频信号，并通过语音端点检测后进行语音识别，但不再进行语者声源方向角估计处理；

S3当采集用户的音频信号进行语音识别的结果为“小T停下”时，PC机控制平台将该语音识别结果转换成控制垃圾桶停下的命令，通过串口发送停下的命令，控制垃圾桶停下；

S4当用户扔完垃圾后，呼叫“小T回去”的音频信号被AVS采集并进行语音识别，PC机控制平台将该语音识别结果转换成控制垃圾桶回去的命令，通过串口发送停下的命令，控制垃圾桶回到原地。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于声学矢量传感器的垃圾桶语音智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1当用户呼叫小T时，由声学矢量传感器AVS采集音频信号，进行语音端点检测，通过隐马尔科夫模型进行小词汇量的非特定人语音识别；语音识别判断是否是叫“小T过来”，若不是则垃圾桶不进行动作，若是则进行S2；

S2利用在S1中采集得到的同一段音频信号，采用稀疏表示的单语者声源DOA估计技术对用户进行语者声源方向角估计，将语者声源方向角估计的角度方向结果通过串口通信发送给垃圾桶微处理器控制单元，由垃圾桶微处理器控制单元控制驱动电机和舵机向用户所在方向移动，在移动的过程中AVS不断采集空间中的音频信号，并通过语音端点检测后进行语音识别，但不再进行语者声源方向角估计；

S3当采集用户的音频信号进行语音识别的结果为“小T停下”时，PC机控制平台将该语音识别结果转换成控制垃圾桶停下的命令，通过串口发送停下的命令，控制垃圾桶停下；

S4当用户扔完垃圾后，呼叫“小T回去”的音频信号被AVS采集并进行语音识别，PC机控制平台将该语音识别结果转换成控制垃圾桶回去的命令，通过串口发送回去的命令，控制垃圾桶回到原地。

2.一种基于权利要求1所述方法实现的语音控制智能垃圾桶，其特征在于，它包括了普通垃圾桶，还包括驱动电机单元、舵机、微处理器控制单元、声学矢量传感器AVS、模数转换器、PC机控制平台：

普通垃圾桶用于盛装垃圾，将其命名为“小T”；

驱动电机单元安装于垃圾桶的底部，用于控制垃圾桶的移动，与微处理器控制单元相连，由微处理器控制单元控制其前进、后退和停下；

舵机安装于垃圾桶的底部，用于控制垃圾桶的转向，与微处理器控制单元相连，根据语音定位的结果由微处理器控制单元控制其转动的角度，与驱动电机单元一起控制垃圾桶朝用户所在的方向移动；

微处理器控制单元用于与PC机控制平台进行串口通信，接收来自PC机控制平台发送过来的转动角度命令，控制舵机的转向和驱动电机单元的移动，并发送完成处理的响应信号给PC机控制平台；

声学矢量传感器AVS作为音频信号采集传感器；

模数转换器与AVS相连，与AVS一起实现音频信号的采集，获得四通道的同 步数字信号输出；

PC机控制平台作为语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计技术和算法处理的平台，将语音识别和语者声源方向角估计结果通过串口通信以DOA信息和控制命令发送给垃圾桶微处理器控制单元，并接收垃圾桶微处理器控制单元发送的响应信号。

3.根据权利要求2所述的一种语音控制智能垃圾桶，其特征在于，所述声学矢量传感器AVS是一种新型麦克风阵列，安装在垃圾桶的顶部，用于音频信号采集器，由1个全向压力传感器和2～3个正交放置的压力梯度传感器构成，与常用的ECM麦克风相比，AVS具有空间结构紧凑的特点，仅有1cm³左右大小，理论上，AVS是同位阵列，各个传感器接收到的音频信号在时间上对齐，且各通道接收信号存在固定的三角函数关系。

4.根据权利要求2所述的一种语音控制智能垃圾桶，其特征在于，所述PC机控制平台作为运算语音端点检测、语音识别和语者声源方向角估计算法的平台，将AVS采集得到的数字语音信号进行语音识别和语者声源方向角估计，并将结果转成控制命令通过串口通信发送给垃圾桶微处理器控制单元，等待接收垃圾桶微处理器控制单元发送的响应信号。