CN106178538A - 一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法 - Google Patents

一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法，涉及玩具领域。其特征在于，所述系统包括：用于穿戴于人体检测人体动作控制命令的控制端和用于根据控制端发送过来的控制命令控制玩具运行，以及根据语音识别装置的识别结果控制玩具运行的玩具端。本发明具有具备体感控制功能、具备语音控制功能、识别准确和成本低等优点。

Description

一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法
技术领域
本发明涉及交通领域，特别涉及一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法。
背景技术
改革开放以来，由于中国劳动力成本较低、引进外资优惠政策等因素，我国玩具行业突飞猛进，20 世纪90 年代中国已成为世界最大的玩具生产国。据中国产业调研网发布的《2015年中国玩具市场调查分析与发展前景研究报告》显示，2013年全球玩具市场规模达到853亿美元，较2012 年增长1.4%；2014年全球玩具市场规模达到860亿美元，较2013年增长0.8%。
体感技术，在于人们可以很直接地使用肢体动作，与周边的装置或环境互动，而无需使用任何复杂的控制设备，便可让人们身历其境地与内容做互动。依照体感方式与原理的不同，主要可分为三大类：惯性感测、光学感测以及惯性及光学联合感测。
随着技术的不断发展和进步，越来越多的前沿技术应用到玩具领域，体感就是其中一种，同时由于语音识别对于玩具的智能控制也显得更加方便，语音识别也渐渐额加入到玩具制作中来。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法，本发明具有具备体感控制功能、具备语音控制功能、识别准确和成本低等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于穿戴于人体检测人体动作控制命令的控制端和用于根据控制端发送过来的控制命令控制玩具运行，以及根据语音识别装置的识别结果控制玩具运行的玩具端；所述控制端包括：用于获取人体加速度信息的加速度传感器；用于获取磁偏角的磁力计；用于获取人体倾角的陀螺仪；所述加速度传感器、磁力计和陀螺仪分别信号连接于主控制器；所述主控制器信号连接于用于提供时钟信号的晶振电路和用于连通控制端和玩具端数据通信的无线通信装置；所述玩具端包括：用于识别用户语音控制命令的语音识别装置，所述语音识别装置信号连接于用于处理来往于玩具端的控制命令的微处理器；所述微处理器信号连接于无线通信装置。
所述语音识别装置包括：用于获取原始语音信号的声音采集装置；所述声音采集装置信号连接于用于对语音进行识别的语音识别芯片；所述语音识别芯片包括：用于对采集到的声音信号进行分帧处理的分帧处理模块；所述分帧处理模块分别信号连接于用于判断分帧处理后的声音信号是否协调的判断模块以及声音采集装置；所述判断模块信号连接于用于对声音信号进行傅里叶变换的傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块信号连接于用于频域比较的频域分析模块。
所述主控制器包括：用于连通主控制器和各个感应装置数据连接的接口单元；所述接口单元信号连接与用于对接收到的各个感应装置发送过来的数据进行数据处理的数据处理器；所述数据处理器信号连接于用于将数据处理器的处理结果转换为控制命令的命令生成器；所述命令生成器信号连接于无线通信装置。
所述微处理器包括：优先级设定单元和控制器；所述优先级设定单元，用于根据用户的设置，对语音识别装置发送过来的控制命令和控制端发送过来的控制命令进行优先级设定，决定在两种命令同时到达且相互冲突的情况下，应该遵循优先级更高的命令；所述控制器，用于根据控制命令控制玩具的运行。
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统启动，系统初始化；
步骤2：用户在玩具端设置语音控制命令和控制端控制命令的优先级；若设定语音控制命令的优先级更高，则当语音识别装置和控制端的控制命令同时到达且不一致的情况下，微处理器将遵循语音识别装置的控制命令；
步骤3：控制端的主控制器将陀螺仪、磁力计和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理后，根据数据处理的结果生成对应的控制命令，经无线通信装置发送至玩具端；
步骤4：语音识别装置对采集到的用户的原始数据信息进行识别，得出语音控制命令，将语音控制命令发送至微处理器；
步骤5：微处理器根据接收到的控制命令，控制玩具机体的运行。
所述主控制器对磁力计、陀螺仪和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理的方法包括以下步骤：
步骤1：根据从陀螺仪中获取到的数据信息，求取四元数，然后采用如下公式，将四元数转换成姿态角：
；其中，，，为三轴加速度的横坐标
步骤2：然后利用从加速度计获取到的数据信息，采用卡尔曼滤波的方法对四元数进行修正，采用的状态空间方程为：
其中 是k时刻的系统状态， 是k时刻的系统的控制量，A和B是系统参数，是k时刻的测量值， 是测量系统的参数， 和 分别表示过程和测量的噪声。
步骤3：随后读取磁力计输出的三轴磁场强度为：，然后用加速度计对磁力计进行倾斜补偿：
根据倾斜补偿后的磁力输出，可以求得偏航角为：
。
所述语音识别装置对采集到的语音进行识别的方法包括以下步骤：
步骤1：求取分帧处理后的信号的短时能量，所述短时能量的求取方法采用如下公式：
，其中 是声音信号在某一点的采样信号；
步骤2：根据求取出的短时能量区分出清音还是浊音信号；
步骤3：若分辨出是浊音信号，则从硬盘存储器中获取样本，同样提取声音信号在该点的采样，求取出短时能量；
步骤4：将浊音信号在该店的短时能量和样本在该点的短时能量进行对比，判断两者的差异，进而判断采集到的声音信号是否匹配。
采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：
1、具备体感控制功能：本发明的玩具控制系统能够根据控制端的人体的姿态不同生成不同的控制命令，进而控制玩具的运行。
2、具备语音控制功能：本发明的玩具控制系统能够根据人发出的语音进行识别，得出语音控制命令，进而控制玩具的运行。
3、成本低：本发明的玩具控制系统各个部分彼此独立，适用于工业生产，只需要将生产后的各个部分进行组合就行，且本发明各个部分的连接关系简单，容易组装，进一步的降低了成本。
采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：
1、识别准确：本发明采用改进后的语音识别算法，能够更加准确的识别用户的语音控制命令；此外，本发明对人体进行姿态检测时，也采用了改进后的姿态检测算法，对采集到的姿态数据信息进行融合和补偿，得出最终的识别结果，保证了识别的准确性。
2、具备体感控制功能：本发明的玩具控制系统能够根据控制端的人体的姿态不同生成不同的控制命令，进而控制玩具的运行。
3、具备语音控制功能：本发明的玩具控制系统能够根据人发出的语音进行识别，得出语音控制命令，进而控制玩具的运行。
4、成本低：本发明的玩具控制系统各个部分彼此独立，适用于工业生产，只需要将生产后的各个部分进行组合就行，且本发明各个部分的连接关系简单，容易组装，进一步的降低了成本。
附图说明
图1是本发明的一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法的系统结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明实施例1中提供了一种基于姿态检测的智能玩具控制系统，系统结构如图1所示：
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于穿戴于人体检测人体动作控制命令的控制端和用于根据控制端发送过来的控制命令控制玩具运行，以及根据语音识别装置的识别结果控制玩具运行的玩具端；所述控制端包括：用于获取人体加速度信息的加速度传感器；用于获取磁偏角的磁力计；用于获取人体倾角的陀螺仪；所述加速度传感器、磁力计和陀螺仪分别信号连接于主控制器；所述主控制器信号连接于用于提供时钟信号的晶振电路和用于连通控制端和玩具端数据通信的无线通信装置；所述玩具端包括：用于识别用户语音控制命令的语音识别装置，所述语音识别装置信号连接于用于处理来往于玩具端的控制命令的微处理器；所述微处理器信号连接于无线通信装置。
所述语音识别装置包括：用于获取原始语音信号的声音采集装置；所述声音采集装置信号连接于用于对语音进行识别的语音识别芯片；所述语音识别芯片包括：用于对采集到的声音信号进行分帧处理的分帧处理模块；所述分帧处理模块分别信号连接于用于判断分帧处理后的声音信号是否协调的判断模块以及声音采集装置；所述判断模块信号连接于用于对声音信号进行傅里叶变换的傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块信号连接于用于频域比较的频域分析模块。
所述主控制器包括：用于连通主控制器和各个感应装置数据连接的接口单元；所述接口单元信号连接与用于对接收到的各个感应装置发送过来的数据进行数据处理的数据处理器；所述数据处理器信号连接于用于将数据处理器的处理结果转换为控制命令的命令生成器；所述命令生成器信号连接于无线通信装置。
所述微处理器包括：优先级设定单元和控制器；所述优先级设定单元，用于根据用户的设置，对语音识别装置发送过来的控制命令和控制端发送过来的控制命令进行优先级设定，决定在两种命令同时到达且相互冲突的情况下，应该遵循优先级更高的命令；所述控制器，用于根据控制命令控制玩具的运行。
本发明实施例2中提供了一种基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统启动，系统初始化；
步骤2：用户在玩具端设置语音控制命令和控制端控制命令的优先级；若设定语音控制命令的优先级更高，则当语音识别装置和控制端的控制命令同时到达且不一致的情况下，微处理器将遵循语音识别装置的控制命令；
步骤3：控制端的主控制器将陀螺仪、磁力计和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理后，根据数据处理的结果生成对应的控制命令，经无线通信装置发送至玩具端；
步骤4：语音识别装置对采集到的用户的原始数据信息进行识别，得出语音控制命令，将语音控制命令发送至微处理器；
步骤5：微处理器根据接收到的控制命令，控制玩具机体的运行。
所述主控制器对磁力计、陀螺仪和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理的方法包括以下步骤：
步骤1：根据从陀螺仪中获取到的数据信息，求取四元数，然后采用如下公式，将四元数转换成姿态角：
；其中，，，为三轴加速度的横坐标
步骤2：然后利用从加速度计获取到的数据信息，采用卡尔曼滤波的方法对四元数进行修正，采用的状态空间方程为：
其中 是k时刻的系统状态， 是k时刻的系统的控制量，A和B是系统参数，是k时刻的测量值， 是测量系统的参数， 和 分别表示过程和测量的噪声。
步骤3：随后读取磁力计输出的三轴磁场强度为： ，然后用加速度计对磁力计进行倾斜补偿：
根据倾斜补偿后的磁力输出，可以求得偏航角为：
。
所述语音识别装置对采集到的语音进行识别的方法包括以下步骤：
步骤1：求取分帧处理后的信号的短时能量，所述短时能量的求取方法采用如下公式：
，其中 是声音信号在某一点的采样信号；
步骤2：根据求取出的短时能量区分出清音还是浊音信号；
步骤3：若分辨出是浊音信号，则从硬盘存储器中获取样本，同样提取声音信号在该点的采样，求取出短时能量；
步骤4：将浊音信号在该店的短时能量和样本在该点的短时能量进行对比，判断两者的差异，进而判断采集到的声音信号是否匹配。
本发明实施例3中提供了一种基于姿态检测的智能玩具控制系统及方法，系统结构如图1所示：
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于穿戴于人体检测人体动作控制命令的控制端和用于根据控制端发送过来的控制命令控制玩具运行，以及根据语音识别装置的识别结果控制玩具运行的玩具端；所述控制端包括：用于获取人体加速度信息的加速度传感器；用于获取磁偏角的磁力计；用于获取人体倾角的陀螺仪；所述加速度传感器、磁力计和陀螺仪分别信号连接于主控制器；所述主控制器信号连接于用于提供时钟信号的晶振电路和用于连通控制端和玩具端数据通信的无线通信装置；所述玩具端包括：用于识别用户语音控制命令的语音识别装置，所述语音识别装置信号连接于用于处理来往于玩具端的控制命令的微处理器；所述微处理器信号连接于无线通信装置。
所述语音识别装置包括：用于获取原始语音信号的声音采集装置；所述声音采集装置信号连接于用于对语音进行识别的语音识别芯片；所述语音识别芯片包括：用于对采集到的声音信号进行分帧处理的分帧处理模块；所述分帧处理模块分别信号连接于用于判断分帧处理后的声音信号是否协调的判断模块以及声音采集装置；所述判断模块信号连接于用于对声音信号进行傅里叶变换的傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块信号连接于用于频域比较的频域分析模块。
所述主控制器包括：用于连通主控制器和各个感应装置数据连接的接口单元；所述接口单元信号连接与用于对接收到的各个感应装置发送过来的数据进行数据处理的数据处理器；所述数据处理器信号连接于用于将数据处理器的处理结果转换为控制命令的命令生成器；所述命令生成器信号连接于无线通信装置。
所述微处理器包括：优先级设定单元和控制器；所述优先级设定单元，用于根据用户的设置，对语音识别装置发送过来的控制命令和控制端发送过来的控制命令进行优先级设定，决定在两种命令同时到达且相互冲突的情况下，应该遵循优先级更高的命令；所述控制器，用于根据控制命令控制玩具的运行。
一种基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统启动，系统初始化；
步骤2：用户在玩具端设置语音控制命令和控制端控制命令的优先级；若设定语音控制命令的优先级更高，则当语音识别装置和控制端的控制命令同时到达且不一致的情况下，微处理器将遵循语音识别装置的控制命令；
步骤3：控制端的主控制器将陀螺仪、磁力计和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理后，根据数据处理的结果生成对应的控制命令，经无线通信装置发送至玩具端；
步骤4：语音识别装置对采集到的用户的原始数据信息进行识别，得出语音控制命令，将语音控制命令发送至微处理器；
步骤5：微处理器根据接收到的控制命令，控制玩具机体的运行。
所述主控制器对磁力计、陀螺仪和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理的方法包括以下步骤：
步骤1：根据从陀螺仪中获取到的数据信息，求取四元数，然后采用如下公式，将四元数转换成姿态角：
；其中，，，为三轴加速度的横坐标
步骤2：然后利用从加速度计获取到的数据信息，采用卡尔曼滤波的方法对四元数进行修正，采用的状态空间方程为：
其中 是k时刻的系统状态， 是k时刻的系统的控制量，A和B是系统参数，是k时刻的测量值， 是测量系统的参数， 和 分别表示过程和测量的噪声。
步骤3：随后读取磁力计输出的三轴磁场强度为：，然后用加速度计对磁力计进行倾斜补偿：
根据倾斜补偿后的磁力输出，可以求得偏航角为：
。
所述语音识别装置对采集到的语音进行识别的方法包括以下步骤：
步骤1：求取分帧处理后的信号的短时能量，所述短时能量的求取方法采用如下公式：
，其中 是声音信号在某一点的采样信号；
步骤2：根据求取出的短时能量区分出清音还是浊音信号；
步骤3：若分辨出是浊音信号，则从硬盘存储器中获取样本，同样提取声音信号在该点的采样，求取出短时能量；
步骤4：将浊音信号在该店的短时能量和样本在该点的短时能量进行对比，判断两者的差异，进而判断采集到的声音信号是否匹配。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述系统包括：用于穿戴于人体检测人体动作控制命令的控制端和用于根据控制端发送过来的控制命令控制玩具运行，以及根据语音识别装置的识别结果控制玩具运行的玩具端；所述控制端包括：用于获取人体加速度信息的加速度传感器；用于获取磁偏角的磁力计；用于获取人体倾角的陀螺仪；所述加速度传感器、磁力计和陀螺仪分别信号连接于主控制器；所述主控制器信号连接于用于提供时钟信号的晶振电路和用于连通控制端和玩具端数据通信的无线通信装置；所述玩具端包括：用于识别用户语音控制命令的语音识别装置，所述语音识别装置信号连接于用于处理来往于玩具端的控制命令的微处理器；所述微处理器信号连接于无线通信装置。
2.如权利要求1所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述语音识别装置包括：用于获取原始语音信号的声音采集装置；所述声音采集装置信号连接于用于对语音进行识别的语音识别芯片；所述语音识别芯片包括：用于对采集到的声音信号进行分帧处理的分帧处理模块；所述分帧处理模块分别信号连接于用于判断分帧处理后的声音信号是否协调的判断模块以及声音采集装置；所述判断模块信号连接于用于对声音信号进行傅里叶变换的傅里叶变换模块；所述傅里叶变换模块信号连接于用于频域比较的频域分析模块。
3.如权利要求1或2所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述主控制器包括：用于连通主控制器和各个感应装置数据连接的接口单元；所述接口单元信号连接与用于对接收到的各个感应装置发送过来的数据进行数据处理的数据处理器；所述数据处理器信号连接于用于将数据处理器的处理结果转换为控制命令的命令生成器；所述命令生成器信号连接于无线通信装置。
4.如权利要求3所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统，其特征在于，所述微处理器包括：优先级设定单元和控制器；所述优先级设定单元，用于根据用户的设置，对语音识别装置发送过来的控制命令和控制端发送过来的控制命令进行优先级设定，决定在两种命令同时到达且相互冲突的情况下，应该遵循优先级更高的命令；所述控制器，用于根据控制命令控制玩具的运行。
5.一种基于权利要求1至4之一所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：系统启动，系统初始化；
步骤2：用户在玩具端设置语音控制命令和控制端控制命令的优先级；若设定语音控制命令的优先级更高，则当语音识别装置和控制端的控制命令同时到达且不一致的情况下，微处理器将遵循语音识别装置的控制命令；
步骤3：控制端的主控制器将陀螺仪、磁力计和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理后，根据数据处理的结果生成对应的控制命令，经无线通信装置发送至玩具端；
步骤4：语音识别装置对采集到的用户的原始数据信息进行识别，得出语音控制命令，将语音控制命令发送至微处理器；
步骤5：微处理器根据接收到的控制命令，控制玩具机体的运行。
6.如权利要求6所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述主控制器对磁力计、陀螺仪和加速度传感器发送过来的数据信息进行数据处理的方法包括以下步骤：
步骤1：根据从陀螺仪中获取到的数据信息，求取四元数，然后采用如下公式，将四元数转换成姿态角：
；其中，，，为三轴加速度的横坐标
步骤2：然后利用从加速度计获取到的数据信息，采用卡尔曼滤波的方法对四元数进行修正，采用的状态空间方程为：
其中是k时刻的系统状态，是k时刻的系统的控制量，A和B是系统参数，是k时刻的测量值，是测量系统的参数，和分别表示过程和测量的噪声；步骤3：随后读取磁力计输出的三轴磁场强度为：，然后用加速度计对磁力计进行倾斜补偿：
根据倾斜补偿后的磁力输出，可以求得偏航角为：
。
7.如权利要求6所述的基于姿态检测的智能玩具控制系统的方法，其特征在于，所述
步骤1：求取分帧处理后的信号的短时能量，所述短时能量的求取方法采用如下公式：
，其中是声音信号在某一点的采样信号；
步骤2：根据求取出的短时能量区分出清音还是浊音信号；
步骤3：若分辨出是浊音信号，则从硬盘存储器中获取样本，同样提取声音信号在该点的采样，求取出短时能量；
步骤4：将浊音信号在该店的短时能量和样本在该点的短时能量进行对比，判断两者的差异，进而判断采集到的声音信号是否匹配。
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