CN107785012A - 一种声控司钻显示器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声控司钻显示器的控制方法，该方法包括：声音采集发送步骤，采集声音信号，对采集到的声音信号进行检波处理得到声音峰值电压，并将声音峰值电压转换成数字信号作为声音信号强度数据输出；数据处理及控制步骤，接收所述声音信号强度数据，对该声音信号强度数据进行语音识别，解析出所述声音信号发出的指令，再对该指令进行指令编码并发送到地面接收机，使该地面接收机执行相应操作；驱动显示步骤，驱动显示屏，使显示屏显示实时的随钻测量数据和来自所述地面接收机发送的数据。本发明通过语音建立钻井平台与定向房数据双向通信，实现了实现司钻人员与定向工程师之间及时有效的沟通。

Description

一种声控司钻显示器的控制方法

技术领域

本发明属于用于油田、矿山等行业的随钻测量仪器地面部分的专业设备之一，尤其涉及一种采用声控技术在钻井平台与井场控制房之间获取井下仪器测量数据并显示的设备控制方法。

背景技术

众所周知，司钻显示器是司钻人员在石油钻井平台现场操作时获取井下仪器测量数据结果的重要途径，指导司钻人员的现场操作，并给司钻人员操作带来便利条件。

现有技术中，关于司钻显示器的专利不多，申请号为201410161041.9的对比文件中，给出了一种自适应环境变化的司钻显示器，是一种采用通过光线传感器感知外界环境的光强度，实时的调整显示器屏幕的对比度以及背光灯的亮度的司钻显示器；申请号为201220634594.8和201220061222.0的对比文件中，只给出了一种司钻显示器的密封结构和装置，申请号为201520353215.1的对比文件给出了一种司钻显示的壳体。

目前，普遍使用的司钻显示器只是被动的接收地面接收系统处理完成后的井下测量数据并显示，但无法与地面系统建立双向通信，从而无法实现司钻人员与定向工程师之间及时有效的沟通。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种能够与地面系统建立双向通信，实现司钻人员与定向工程师之间及时有效的沟通的司钻显示器的控制方法。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种声控司钻显示器的控制方法，该方法包括：声音采集发送步骤，采集声音信号，对采集到的声音信号进行检波处理得到声音峰值电压，并将声音峰值电压转换成数字信号作为声音信号强度数据输出；数据处理及控制步骤，接收所述声音信号强度数据，对该声音信号强度数据进行语音识别，解析出所述声音信号发出的指令，再对该指令进行指令编码并发送到地面接收机，使该地面接收机执行相应操作；驱动显示步骤，驱动显示屏，使显示屏显示实时的随钻测量数据和来自所述地面接收机发送的数据。

优选地，在数据处理及控制步骤中，采用HMM语音识别模型进行语音识别，解析出声音信号发出的指令。

优选地，在数据处理及控制步骤中，采用线性预测方法对声音信号强度数据进行特征参数提取。

优选地，在进行语音识别之前，对声音信号强度数据进行数字滤波及信号处理。

优选地，还包括：根据通信协议，对来自地面接收机传输的信号进行解码，并在显示屏上显示解码后的来自所述地面接收机发送的数据。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供了一种采用声控技术控制的司钻显示器的控制方法，通过语音建立钻井平台与定向房数据双向通信，实现了实现司钻人员与定向工程师之间及时有效的沟通。与现有技术相比，应用该控制方法的司钻显示器具有使用方便，操作简单，智能化更高等特点，更加适合在井场环境下工作。采用语音交互可以解放司钻人员的手眼，在复杂的钻井工程中，能给使用者带来极大的方便。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为根据本发明实施例的声控司钻显示器100的结构框图；

图2为根据本发明实施例的声音检波电路114的电路图；

图3为根据本发明实施例的A/D变换及控制电路116的结构框图；

图4为根据本发明实施例的语音信号的声道模型示意图；

图5为根据本发明实施例的声控司钻显示器的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

(实施例)

本发明实施例提供一种采用声控技术控制的司钻显示器，图1为根据本发明实施例的声控司钻显示器100的结构框图。图5为根据本发明实施例的声控司钻显示器的控制方法的流程图。下面参考图1和图5对本发明实施例的声控司钻显示器的各个结构组成以及控制流程进行详细说明，如图1所示，该司钻显示器100主要包括声音采集发送系统110、数据处理及控制系统120、驱动单元130和显示屏140等几大部分，其中声音采集发送系统110为声控司钻显示器100的核心。

(声音采集发送系统110)

如图1所示，声音采集发送系统110主要包括：麦克风112、声音检波电路114和A/D变换及控制电路116。声音采集发送系统110采集声音信号，对采集到的声音信号进行检波处理得到声音峰值电压，并将声音峰值电压转换成数字信号进行输出(步骤S510)。

(麦克风112)

麦克风112，其采集并放大声音信号，随后将放大后的声音信号输出到声音检波电路114。麦克风112优选使用高灵敏度并有放大功能的设备，且具有+9V电源输入，输出为最大5V的音频信号。

(声音检波电路114)

声音检波电路114对放大后的声音信号进行检波处理，得到声音峰值电压。声音建波电路114主要包括输入端电压跟随器、二极管峰值检波器和输出端电压跟随器。通过输入端电压跟随器接收放大后的声音信号，随后经二极管峰值检波器把交流的声音信号变为直流的电压信号，再输入到输出端电压跟随器进行缓冲、输出。

电压跟随器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，是最常用的阻抗变换和匹配电路。电压跟随器常用作电路的输入缓冲级和输出缓冲级，作为整个电路的高阻抗输入级，可以减轻对信号源的影响。作为整个电路的低阻抗输出级，可以提高带负载的能力。在本例中，输入端电压跟随器是由三极管9013构成的，该输入端电压跟随器也可以称为射极跟随器。输出端电压跟随器是由运算放大器(简称运放)构成的，该输出端电压跟随器也可以称为运放跟随器。

如图2所示，二极管峰值检波电路由二极管D和电容C1组成。一般要求输入信号的幅度在0.5V以上，因为二极管D处于大信号状态，故又称大信号检波器。

这里输入的声音信号是大信号，在本领域中，所谓“大信号”是指音频信号幅度为伏的数量级信号。通过调整Rp电阻的阻值使得在不同背景噪声信号时的输出信号基本接近。

在由二极管D和电容C1构成的二极管峰值检波电路中，其中的电容Cl起着充放电的作用。当在信号正半周内，二极管D导通，电容C1充电，因二极管D的正向导通电阻为Rd很小，所以充电时间常数Rd*Cl也较小，电容C1两端电压被快速充高。在信号负半周内，二极管D截止，C1通过电阻R1和R2放电，由于R1端接运放，其电阻非常大，放电非常缓慢，可以不考虑它的影响，所以只要考虑C1、R2放电回路，放电常数为R2*CI，这里R2也取较大值，使电容慢慢放电，这样最大的声音信号值被保存了下来，同时也满足了低速的AD变换器件的要求。使用运放组成电压跟随器，满足了高输入电阻的要求。

(A/D变换及控制电路116)

如图3所示，A/D变换及控制电路116包括控制芯片、模数转换芯片、可编程逻辑芯片、电平转换芯片和锁存器。A/D变换及控制电路116通过控制芯片控制，把声音峰值电压进行A/D变换，转换为数字信号作为声音信号强度数据进行输出。

本实施例中，利用P89C51单片机作为控制芯片，控制其他芯片的运行。模数转换芯片采用ADC0809芯片，对输入信号进行A/D变换，随后将结果输出到单片机的数据端口。使用可编程逻辑芯片GALl6V8芯片产生ADC0809芯片进行AD变换所需的控制信号及返回信号。单片机输出结果到电平转换芯片MAX487芯片，并通过通信线缆实现与地面接收机控制端的串行通信。

这里，由于信号已经被声音检波电路114转换成近似直流电压，所以不必考虑取样定理的限制。锁存器采用74HC373芯片用于锁存单片机的低三位地址A0、A1、A2，这低三位地址可以选择八路输入信号中的一路进行AD变换。

由于ADC0809芯片具有输出三态锁存器，故其8位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低八位地址信号在ALE引脚信号的作用下，锁存在74HC373芯片中。74HC373芯片输出的低三位分别加到ADC0809芯片的通道选择端A0、A1、A2，作为通道编码。将单片机的P2.7作为片选信号与单片机的写信号“/WR”进行或非操作，得到一个正脉冲加到ADC0809芯片的ALE和START引脚上。由于ALE和START引脚连接在一起，因此ADC0809芯片在锁存通道地址的同时也启动了AD转换。ADC0809芯片在完成AD变换后，ADC0809芯片的EOC端输出一个正脉冲信号，经GALl6V8芯片反相后输出到单片机的INT0端(P3.0脚)，作为单片机的外中断触发信号，通知单片机可以去读取数据了。在单片机读取转换结果时，单片机的读信号“/RD”和P2.7引脚经或非操作后产生的正脉冲送给ADC0809芯片的OE端作为读取信号，用以打开ADC0809芯片三态输出锁存器，读取AD变换的数据。

容易理解，上述芯片作为本申请实施例的优选示例，根据实际需要可以对这些芯片进行变换，本发明对此不作限定。

(数据处理及控制系统120)

数据处理及控制系统120主要是接收声音采集发送系统110传输来的声音信号强度数据，对该声音信号强度数据进行语音识别，解析出声音信号发出的指令，再对该指令进行指令编码并发送到地面接收机，使该地面接收机执行相应操作(步骤S520)。

在进行语音识别之前需要对该声音信号强度数据进行预处理，例如数字滤波、信号处理等，随后进行语音识别，判断出声音信号发出的指令，再进行指令编码，通过通信线缆与地面接收机通信，地面接收机根据指令编码执行相应的操作。

在本例中，数据处理及控制系统120主要采用飞思卡尔生产的MC9S系列控制芯片完成，通过编程程序控制实现信号的数字滤波，数字滤波的主要目的是去除干扰信号，提高信号识别的精度，提高仪器设备的可靠性。根据通讯协议，实现对来自地面接收机传送的信号的解码解调。根据指令，实现显示数据的编码等功能，并与地面接收机之间进行通讯，将数据信号送到显示屏显示。此单元主要通过芯片编程进行软件控制。

(驱动单元130)

本发明的驱动单元130主要包括光电隔离电路、整形电路和功率放大电路几大部分。主要功能为驱动显示屏，并将地面接收机的数据发送到显示屏进行显示(步骤S530)。

具体地，光电隔离电路，其将低压电路与功率放大器有效隔离，提高井下系统抗干扰能力，由光电耦合器件组成。

整形电路，其作用是将失真的波形或者不同的波形，修真或者变换。通过数据处理及控制系统产生的脉冲调整整形，输出信号，主要由四个晶体管及其他辅助电路组成。

功率放大电路，其将一个微弱的交流小信号(叠加在直流工作点上)，通过一个装置(核心为三极管、场效应管)，得到一个波形相似(不失真)，但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。

(显示屏140)

显示屏140优选为12英寸液晶显示，其显示实时的随钻测量数据及来自地面接收机发送的数据。

在数据处理及控制系统120对声音信号强度数据进行信号处理和语音识别，判断出声音信号发出的指令的过程中，需要应用到如下语音识别关键技术。

语音识别通常包括以下几个环节：采样量化、加窗分帧、端点检测、特征参数提取、模板训练和语音识别等。其中特征参数提取和语音识别属于较为重要的环节。

1.特征参数提取

线性预测系数分析是现代语音信号处理技术中核心的技术之一，在语音识别上有着重要的作用。线性预测方法的中心思想是利用若干“过去”的语音抽样来逼近当前的语音抽样，采用最小均方误差逼近的方法来估计模型的参数。纯净语音信号的发音特征能够用一个全极点线性预测模型(LPC)来反映，因为全极点模型的频谱特征能够与语音信号频谱特征中的重要部分相匹配。全极点线性预测模型可以对声管模型进行很好的描述。

图4是以声管模型为基础的LPC模型。其中信号的激励源是由肺部气流的冲击引起的，声带可以有周期振动也可以不振动，Av和Au分别对应浊音和清音时声门激励信号的强度，用以强调信号的幅度或能量，而每段声管则对应一个LPC模型的极点。一般情况下，极点的个数在12到16个之间，就可以足够清晰的描述语音信号的特征了。

由图4可知，一个完整的语音信号模型由激励模型、声道模型及辐射模型三个子模型串联而成。激励模型由浊音激励与清音激励组成，对清音部分来说，激励信号等同于白噪声，而对于浊音部分来说，因为声带在不断地张开与闭合，所以会有间歇性的脉冲波产生。

对于一个LPC系统，采样点n的输出可以用前面(n-1)个样本的线性组合来表示：

S(n)≈a₁S(n-1)+a₂S(n-2)+…+a_pS(n-p) (1)

其中，a₁,a₂,…a_p为常数，p为样本的个数上式改写为：

其中，Gu(n)是一个归一化冲击响应及其增益系数的乘积。该式(2)的Z域表达形式为：

可得到系统的传递函数为：

在图4中，声道模型和辐射模型的级连就是H(z)，实际上是一个短时稳定的时变滤波器。它的参数a₁,a₂,…a_p，是由声管，也就是发音器官进行控制并随时间变化的，但是在几十毫秒内被认为是稳定不变的。H(z)的激励由清浊开关控制，当发音为浊音时，激励源为归一化冲击序列和增益系数G的乘积，冲击序列的周期就是语音的基音周期，而增益系数G控制着声音的音量。当发音为清音时，激励信号为随机噪声和增益系数G的乘积。这里周期和G在一个分析帧内部都是稳定的常数，而实际上它们也是随时间缓慢变化的。

定义系统输出的估计为：

由此得到的估计误差为：

以及相应的误差传递函数：

显然，如果s(n)完全由图3的线性系统产生，则线性预测误差就等于激励与增益的乘积，即：

e(n)＝Gu(n) (8)

为了计算LPC参数，首先定义起点为n的短时语音信号和误差信号：

s_n(m)＝s(n+m) (9)

e_n(m)＝e(n+m) (10)

误差平方和为：

上式对各阶的LPC系数求导，令其分别为零：

可以得到：

根据相关函数定义：

可以得到：

该式表示P个方程构成的方程组，未知数为P个。求解该方程组，就可以得到系统的线性预测系数。

随后，系统的最小均方误差就可以表示为：

显然，误差越接近零，线性预测的准确度在均方误差最小的意义上为最佳，由此可以计算出预测系数。

通过LPC分析，由若干帧语音可以得到若干组LPC参数，每组参数形成一个描绘该帧语音特征的矢量，即LPC特征矢量。由LPC特征矢量可以进一步得到很多种派生特征矢量，例如现行预测倒谱系数，线谱对特征，部分相关系数，对数面积比等等。

线性预测系数LPC最大的优势在于它所需的计算量小，能够在较短的时间内计算出一个能反应语音特征的参数，同时还能够保证较高的实时性。程序设计比较容易，程序运行时要求的内存量也较小。

2.语音识别算法

本发明的语音识别算法采用HMM语音识别模型。隐马尔可夫模型是一种统计信号模型，它是目前最为成功的一种连续语音识别模型和算法。

HMM是使用马尔可夫链来模拟信号的统计特性变化，对于一个系统，它在任何时间可以认为处在N个不同状态S₁,S₂,…S_N中的某个状态下，在均匀划分的时间间隔上，系统的状态按一组概率发生改变(包括停留在原状态)，一般由初始状态分布概率矢量π，状态转移阵A和状态相关联的概率分布阵B所组成，则

π＝(π₁,π₂,…,π_N),A＝{a_ij}_N·N,B＝(b₁,b₂,…,b_N) (17)

π_i是初始状态为i的概率，a_ij是从状态i到状态j的转移概率，b_i是在状态i时的概率分布，其中a_ij是个与时间无关的常数。

用HMM刻画语音信号需做出两个假设，一是内部状态的转移只与上一状态有关，另一是输出值只与当前状态(或当前的状态转移)有关，这两个假设大大降低了模型的复杂度，将语音看成是一连串的特定状态，这种状态是不能被直接观测到的(例如这种状态可以是语音的某个音素)，而是以某种隐含的关系与语音的观测量(或特征)相关联，而这种隐含关系在隐马尔可夫模型中通常以概率形式表现出来，模型的输出结果也以概率形式给出，这为系统最后给出一个稳健的判决创造了条件。

本发明实施例在隐马尔可夫模型和算法的基础上形成了语音识别的整体框架模型，它统一了语音识别中声学层和语音学层的算法结构，制定了最佳的搜索和匹配算法，以概率的形式将声学层中得到的信息和语音学层中己有的信息结合在一起。

隐马尔可夫模型应用于孤立词语音识别系统，第一个任务是建立每个单词的模型，通过训练序列调整模型参数，使之最佳，这样得到每个单词的最佳参数模型。为了增进对模型状态物理意义的了解，可以把单词的训练序列分成一些段，每段对应于一个状态。一旦V个单词的隐马尔可夫模型设计出来，并最优化和经过研究后，就可以利用这些模型来对任何未知的语音进行识别。未知语音是试验观测序列，要对每个单词的HMM模型(打分评估它们与试验序列匹配的情况)，最后选择得分最高的模型所对应的单词作为识别结果。

假定词库中有V个词，每个词用一个HMM来描述，同时假定每个词有K遍训练数据，每遍训练数据经过特征提取得到一个矢量序列，则孤立词语音识别必须解决以下问题：

a)对词库中的每个词v建立一个隐马尔可夫模型五，也就是用训练的数据集估计参数λ_ν＝(A_ν,B_ν,π_ν)；

b)在识别时，对每个要识别的词，首先经过特征提取得到观察序列O＝(O₁,O₂,…,O_γ)，然后对每个模型λ_ν求P(O|λ),1≤ν≤V，最后选择模型的似然度最高的词作为识别结果，即：

本发明提出一种声控方式的司钻显示器的控制方法，该方案解决了被动的接收地面接收系统处理完成后的井下测量数据并显示的情况，建立了与地面系统的双向通信，从而实现了司钻人员与定向工程师之间及时有效的沟通。与传统的司钻显示器相比本发明更加方便，更加实用。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种声控司钻显示器的控制方法，该方法包括：

声音采集发送步骤，采集声音信号，对采集到的声音信号进行检波处理得到声音峰值电压，并将声音峰值电压转换成数字信号作为声音信号强度数据输出；

数据处理及控制步骤，接收所述声音信号强度数据，对该声音信号强度数据进行语音识别，解析出所述声音信号发出的指令，再对该指令进行指令编码并发送到地面接收机，使该地面接收机执行相应操作；

驱动显示步骤，驱动显示屏，使显示屏显示实时的随钻测量数据和来自所述地面接收机发送的数据。

2.根据权利要求1所述的声控司钻显示器的控制方法，其特征在于，在数据处理及控制步骤中，

采用HMM语音识别模型进行语音识别，解析出声音信号发出的指令。

3.根据权利要求2所述的声控司钻显示器的控制方法，其特征在于，在数据处理及控制步骤中，

采用线性预测方法对声音信号强度数据进行特征参数提取。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的声控司钻显示器的控制方法，其特征在于，

在进行语音识别之前，对声音信号强度数据进行数字滤波及信号处理。

5.根据权利要求1所述的声控司钻显示器的控制方法，其特征在于，还包括：

根据通信协议，对来自地面接收机传输的信号进行解码，并在显示屏上显示解码后的来自所述地面接收机发送的数据。