CN104570835B - 飞机驾驶舱语音指令控制系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
飞机驾驶舱语音指令控制系统，语音识别单元、控制单元和输出单元，语音识别单元包括依次串联的语音输入模块、语音预处理模块和语音识别模块；控制单元包括控制模块及与控制模块相连的语音指令设置模块和语音识别启动模块；输出单元包括命令输出模块和语音输出模块，其中命令输出模块由命令反馈模块和命令执行模块组成。操作方法包括如下步骤：语音指令设置步骤，启动语音识别命令步骤，语音处理及识别步骤，匹配语音数据传输步骤，命令输出步骤，指令执行及反馈步骤，语音反馈步骤。本发明可以实现飞机驾驶舱内操作者语音指令控制，来代替传统的按键、开关等其他输入等功能，解放操作者的双眼和手，提高飞行期间的操作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种语言指令控制系统，尤其涉及飞机驾驶舱语音指令控制系统及其操作方法，属于航空领域中的语音处理技术。
背景技术
语言是人类表达最自然、最有效的方法，语音的输入无需占用界面上的特殊空间，语音还具有无方向性、允许存在距离间隔，还可以解放出双眼和手，因此适应于在许多特定环境中的使用。例如，使用“语音拨号”,人们只需一次性地“读入”人名或电话号码，就能方便的进行拨号操作；语音查询则可用于旅游业及服务业的各种查询系统，如语音自动导游系统，游客可以通过与系统的交互式对话，获取自己感兴趣的景点相关信息；对于伤残者，能够全部使用声音控制的各种现代电器和办公设备可以给他们带来极大的生活工作便利；在通信方面，通过“语音识别—机器翻译—语音合成”将一种语音直接转换成另一种语言，实现两种语言之间的直接通信；在工业控制方面，对于在一些工作环境恶劣或手工难以操作的地方，均可通过语音发出相应的控制命令，让设备完成各种工作。
信息科学的发展、技术的进步对指挥控制的技术提出了更高的要求，语音识别将是车载、机载、舰载综合电子设备中一项不可缺少的内容，机载语音识别技术的研究对于飞机驾驶员在高速行驶中发出各种必要的控制命令，提高整个作战系统的反应速度，有着重要的意义。在有效减少离杆操作、降低飞行员的操作负担、实现飞行员的思维决策与任务操作的直接对接、保持思维过程的连续性、提高飞行安全等方面，语音指令控制方式都具备其独特的优势。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提出飞机驾驶舱语音指令控制系统及其操作方法。
本发明的第一个目的，飞机驾驶舱语音指令控制系统，其特征在于：包括语音识别单元、控制单元和输出单元；
所述语音识别单元包括依次串联的语音输入模块、语音预处理模块和语音识别模块；
所述控制单元包括控制模块及与控制模块相连的语音指令设置模块和语音识别启动模块；
所述输出单元包括命令输出模块和语音输出模块，其中命令输出模块由命令反馈模块和命令执行模块组成；
所述控制模块与语音识别模块之间由RS232总线相连，所述控制模块的输出端分别连接命令输出模块和语音输出模块；所述语音指令设置模块的输出端与语音识别模块相连，所述命令反馈模块的输出端与控制模块相连。
优选的，所述语音输入模块包括依次串联的麦克风阵列、语音信号处理模块和语音信号输出模块。
优选的，所述语音预处理模块包括依次串联的预滤波模块、采样模块、A/D转换模块、分频模块和频率提升模块。
优选的，所述语音识别模块包括依次串联的端点检测模块、特征提取模块、信息比对模块和命令ID输出模块。
优选的，所述控制模块包括依次串联的语音命令发送模块、串口发送/接收模块、命令ID识别模块和命令判断模块。
优选的，所述语音识别模块为DSP、ARM或FPGA语音识别模块。
优选的，所述控制模块为FPGA控制模块或单片机。
本发明的第二个目的，飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法，其特征在于包括如下步骤：
a.语音指令设置步骤，在语音指令设置模块中，将需要识别的语音指令设置好成为语音命令库；
b.启动语音识别命令步骤，通过语音识别启动模块启动语音识别命令；
c.语音处理及识别步骤，语音输入模块接收到外界的语音，传输至语音预处理模块，语音预处理模块将语音做端点检测处理，提取出语音的特征，并与语音指令设置模块中的语音命令库作对比，找出语音与语音命令库内最匹配的一条语音指令；
d.匹配语音数据传输步骤，语音识别模块将匹配到的语音指令数据通过RS232总线发送至控制模块；
e.命令输出步骤，控制模块将语音指令数据发送至命令输出模块内；
f.指令执行及反馈步骤，命令输出模块接收到语音指令数据，驱动命令执行模块执行指令，并同时驱动命令反馈模块将反馈信息传送至控制模块；
g.语音反馈步骤，控制模块接收到反馈信息后驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
优选的，当步骤c中，外界的语音与语音命令库匹配失败时，语音识别模块则生成匹配失败数据，语音识别模块将匹配失败数据通过RS232总线发送至控制模块，控制模块进行记录，并生成匹配失败信息驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
本发明的有益效果主要体现在：本发明飞机驾驶舱语音指令控制系统可以实现飞机驾驶舱内操作者语音指令控制，来代替传统的按键、开关等其他输入等功能，解放操作者的双眼和手，提高飞行期间的操作效率，具有指令识别快，反馈信息快的特点，且当指令识别失败时，亦反馈信息，能及时提醒操作者再次发出指令或修改指令，防止操作者误认为指令已经发出而延误指令的发出。
附图说明
图1是本发明飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法的框图示意图；
图2是本发明中语音输入模块的框图示意图；
图3是本发明中语音预处理模块的框图示意图；
图4是本发明中语音识别模块的框图示意图；
图5是本发明中控制模块的框图示意图；
图6是本发明的操作方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了飞机驾驶舱语音指令控制系统，特别地，包括语音识别单元、控制单元和输出单元；语音识别单元包括依次串联的语音输入模块、语音预处理模块和语音识别模块；控制单元包括控制模块及与控制模块相连的语音指令设置模块和语音识别启动模块；输出单元包括命令输出模块和语音输出模块，其中命令输出模块由命令反馈模块和命令执行模块组成；控制模块与语音识别模块之间由RS232总线相连，控制模块的输出端分别连接命令输出模块和语音输出模块；语音指令设置模块的输出端与语音识别模块相连，命令反馈模块的输出端与控制模块相连。如图1所示，其中，语音输入模块、语音预处理模块、语音识别模块和控制模块顺次串联，构成了本发明的核心部分。此外，语音指令设置模块与语音识别模块连接，同时该模块受控制模块的控制；语音识别启动模块与控制模块连接；控制模块的输出分别与命令输出模块和语音输出模块连接，后两者是并列关系，可以同时执行；命令输出模块与命令反馈模块和命令执行模块连接，后两者并列关系，此外命令反馈模块又与控制模块连接。
其中，如图2所示，语音输入模块包括依次串联的麦克风阵列、语音信号处理模块和语音信号输出模块，多个麦克风组成阵列式麦克风用来采集操作者的语音信息，使用传统麦克风说话时，人需要尽量靠近麦克风，对于本系统来说，靠近麦克风说话的就是“主音”，系统获得较大的输入。而对于旁边的杂音，或者对话者从扬声器输出的声音相对“主音”来说，幅度都是比较小的，都属于“干扰音”。本发明设置两组以上麦克风，并以这些麦克风对音讯进行侦测，所得到的语音信息交由语音信号处理模块进行比对，用以还原声音的原貌，并消除背景杂音。这样系统可以更准确过滤掉“干扰音”，保留“主音”。这样，经过麦克风阵列和语音信号处理模块处理后的语音信息最大程度上接近了操作者声带发出的声音信息，这个语音信号由语音输出模块送至下一个模块进行处理。
如图3所示语音预处理模块包括依次串联的预滤波模块、采样模块、A/D转换模块、分频模块和频率提升模块。语音预处理模块主要功能为对输入的语音信号做A/D转换处理。预滤波模块对语音信号做滤波处理，这样可以达到两个目的：（1）抑制输入信号各频域分量中频率超出fs/2的所有分量（fs：信号采样频率），以防止频率混叠干扰；（2）抑制50Hz的电源工频干扰。因此，预滤波模块中的预滤波器必须是一个带通滤波器，根据语音特性，它的通频带可以选100～3400Hz，基本覆盖了语音信号的带宽。采样模块中，根据采样定律，要不失真地对3400Hz的信号进行采样，需要的最低采样率是6800Hz。为了提高精度，A/D转换模块中的A/D采样率在8kHz到12kHz。语音信号是时变的随机信号，对语音信号的分析处理必须采用短时分析法，也就是分帧，然后分帧进行数据的处理，这一步在分频模块中实现。由于人的发声器官的固有特性，语音从嘴唇辐射将有6分贝/倍频的衰减，相当于频率每增加一倍，语音信号的功率将减少1/4。这种现象将会导致语音信号频谱的畸化，主要表现在高频信息的损失，对语音信号的特征提取会造成不利的影响。因此，必须对信号进行高频提升，即对信号进行高频的补偿工作，使得信号频谱平坦化，在频率提升模块中完成上述功能。
如图4所示，语音识别模块包括依次串联的端点检测模块、特征提取模块、信息比对模块和命令ID输出模块。该模块为本发明的核心部分之一。端点检测模块用于检测语音信号的有无，从输入信号中提取一个或一系列的对比特征参数（量），然后将其和一个或一系列的门限阀值进行比较。如果超过门限则表示当前为有音段，否则表示当前为无音段，门限阀值通常是根据无音段时的特征确定的。特征提取模块用于提取语音信息里的特征参数，模拟的语音信号在完成A/D转换后成为数字信号，此时的语音信号为时域的信号，时域的信号难以进行分析和处理，而且数据量庞大，需要对时域信号进行变换，提取其中某种特定的参数，通过一些更加能反映语音本质特征的参数来进行语音识别。在特征参数提取之后，直接进行识别比对，在信息比对模块中，根据所选择的识别比对算法比对出该语音对应于语音模板库中模板语音的序号，最后得出识别的结果。如果比对结果为没有找到匹配的指令，那么也会发送相关的数据给下一个模块表明结果。在命令ID输出模块中，该结果按照协议与其他辅助数据一起打包发送出去，供后续模块使用。
如图5所示，控制模块包括依次串联的语音命令发送模块、串口发送/接收模块、命令ID识别模块和命令判断模块。控制模块用于接收语音识别模块输出的命令ID、控制启动语音识别命令以及根据命令ID来执行相应的命令，为本发明的核心。在本发明中，语音命令发送模块的功能是根据外面语音识别启动模块的状态来发送语音识别命令。同样，语音识别命令也是按照协议编码的数据包，通过RS232总线发送给语音识别模块，这一功能是在串口发送/接收模块中实现的，串口发送/接收模块除了发送启动命令还要接收上一个模块发送来的命令ID数据包。操作者在完成启动语音识别命令和发送语音命令后，命令ID识别模块通过语音识别模块回传反馈的数据包判断刚才所进行的语音识别的结果，并分析提取反馈数据中有效的数据发送给下一个模块做进一步处理。命令判定模块用于判断命令的序号，进而执行相应的命令。
语音指令设置模块用于生产语音指令的指令库，这个模块用于语音指令的事先设定，最多可以设定255条指令。从图1中可以看出，这个模块直接受控制模块来控制，也就是说指令库里指令的设置是由控制模块来发送相关命令完成的，更进一步，该工作也可以通过PC机或者其他主机设备完成。
语音识别启动模块用于启动语音识别系统，即告知系统启动语音识别功能，这个一般是在驾驶舱操作杆上设置某个按键来实现。进一步来讲，整个系统都是由该模块来启动运行的。
命令输出模块用于将控制模块识别出的指令发送至相关的执行机构。由于语音指令的多样性，可以控制操作的范围也比较广泛，比如输入导航坐标、修改无线电频率，飞往指定机场的燃油量等，因此该模块负责将对应的指令发送到对应的执行机构。
语音输出模块，用于将识别出的语音命令用机器语言复述一次反馈给操作者（驾驶员）。该模块的功能是将识别出的命令反馈给操作者，目的是让操作者明确自己发出的指令，鉴于整个系统运行速度快，因此操作者在发出语音指令后很短时间内（2秒以内）就可以从耳机中得到语音反馈。
命令反馈模块，用于将语音命令反馈给控制模块，用于后端的备份或者记录。该模块主要用于命令的反馈和记录，跟前一个模块不同之处是，这里用数字信号反馈而不是语音信号，这样方便机载记录仪或者黑匣子记录飞行员在飞行期间所发出的语音命令。
命令执行模块，用于语音指令的直接执行。这个模块是整个系统最后一个模块，也是实现最终目标的模块，该模块原来是需要其他方式来控制的，比如按键、旋钮等等，在本发明中，直接通过语音转换的信号来得以控制实现。
为优化本发明，语音识别模块为DSP、ARM或FPGA语音识别模块。控制模块为FPGA控制模块或单片机。
端点检测，可以由以下算法完成：倒谱（频谱）距离检测法、隐马尔科夫模型检测法、循环神经网络检测法、采用高阶累积量和信息熵特征检测法进而自相关函数极值检测法。
特征提取，可以由以下算法完成：基于线性预测分析的提取方法、基于频谱分析的提取方法、基于小波分析的提取方法、基于时频分析的提取方法和基于人工神经网络分析的提取方法。
飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法，如图6所示，包括如下步骤：
a.语音指令设置步骤，在语音指令设置模块中，将需要识别的语音指令设置好成为语音命令库；可以通过控制模块或者PC机等主机设备进行设置，最多支持255条语音指令的设置。
b.启动语音识别命令步骤，通过语音识别启动模块启动语音识别命令；告知控制模块即将启动语音识别命令，同时操作者在启动后可以进行语音指令输入。
c.语音处理及识别步骤，语音输入模块接收到外界的语音，操作者发出语音指令，麦克风阵列进行语音采集，去噪音，取主音，处理器比较多个麦克风采集到的语音信息，去除杂音，留下主音供下一步骤使用，传输至语音预处理模块，语音预处理模块将语音做端点检测处理，采用带通滤波器滤掉信号里的超频分量和电源干扰分量，采样，A/D转换。对模拟信号进行采样与A/D转换，将其转换为数字信号，分频，频率提升。对语音信号的分析处理采用短时分析法，即分帧，同时对信号进行高频提升，即对信号进行高频的补偿工作，使信号频谱平坦化；端点检测，特征提取。对语音数字信号进行统计或变换计算以判定有效语音的起始点、结束点来得到有音段的语音数据，再对语音数据进行特征提取得到该语音的特征参数，处理后的音频信号与指令库里的信息比对，找到指令库里吻合度最高的指令，得到其序列号。
d.匹配语音数据传输步骤，语音识别模块将匹配到的语音指令数据通过RS232总线发送至控制模块，按照协议与辅助数据打包发送给控制模块处理。
e.命令输出步骤，接收数据，提取出有用的指令ID，根据指令ID下达命令，控制模块将语音指令数据发送至命令输出模块内。
f.指令执行及反馈步骤，命令输出模块接收到语音指令数据，驱动命令执行模块执行指令，并同时驱动命令反馈模块将反馈信息传送至控制模块；
g.语音反馈步骤，控制模块接收到反馈信息后驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
当步骤c中，外界的语音与语音命令库匹配失败时，语音识别模块则生成匹配失败数据，语音识别模块将匹配失败数据通过RS232总线发送至控制模块，控制模块进行记录，并生成匹配失败信息驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法，其中，飞机驾驶舱语音指令控制系统包括语音识别单元、控制单元和输出单元；
所述语音识别单元包括依次串联的语音输入模块、语音预处理模块和语音识别模块；
所述控制单元包括控制模块及与控制模块相连的语音指令设置模块和语音识别启动模块；
所述输出单元包括命令输出模块和语音输出模块，其中命令输出模块由命令反馈模块和命令执行模块组成；
所述控制模块与语音识别模块之间由RS232总线相连，所述控制模块的输出端分别连接命令输出模块和语音输出模块；所述语音指令设置模块的输出端与语音识别模块相连，所述命令反馈模块的输出端与控制模块相连；
所述语音输入模块包括依次串联的麦克风阵列、语音信号处理模块和语音信号输出模块；
所述语音预处理模块包括依次串联的预滤波模块、采样模块、A/D转换模块、分频模块和频率提升模块，
所述语音识别模块包括依次串联的端点检测模块、特征提取模块、信息比对模块和命令ID输出模块，所述语音识别模块为DSP、ARM或FPGA语音识别模块，
所述控制模块包括依次串联的语音命令发送模块、串口发送/接收模块、命令ID识别模块和命令判断模块，控制模块为FPGA控制模块或单片机，
飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法包括如下步骤：
a.语音指令设置步骤，在语音指令设置模块中，将需要识别的语音指令设置好成为语音命令库；
b.启动语音识别命令步骤，通过语音识别启动模块启动语音识别命令；
c.语音处理及识别步骤，语音输入模块接收到外界的语音，传输至语音预处理模块，语音预处理模块将语音做端点检测处理，提取出语音的特征，并与语音指令设置模块中的语音命令库作对比，找出语音与语音命令库内最匹配的一条语音指令；
d.匹配语音数据传输步骤，语音识别模块将匹配到的语音指令数据通过RS232总线发送至控制模块；
e.命令输出步骤，控制模块将语音指令数据发送至命令输出模块内；
f.指令执行及反馈步骤，命令输出模块接收到语音指令数据，驱动命令执行模块执行指令，并同时驱动命令反馈模块将反馈信息传送至控制模块；
g.语音反馈步骤，控制模块接收到反馈信息后驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
2.根据权利要求1所述的飞机驾驶舱语音指令控制系统的操作方法，其特征在于：当步骤c中，外界的语音与语音命令库匹配失败时，语音识别模块则生成匹配失败数据，语音识别模块将匹配失败数据通过RS232总线发送至控制模块，控制模块进行记录，并生成匹配失败信息驱动语音输出模块输出机器语音，反馈给语音的发出者。
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