CN110232918B - 一种无人机地面控制站语音控制系统及控制方法 - Google Patents

一种无人机地面控制站语音控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机地面控制站语音控制系统，包括用于采集语音指令的麦克风阵列耳机、与麦克风阵列耳机连接的语音识别处理设备、与语音识别处理设备连接的席位计算机；所述席位计算机连接有席位显示器和油门台；其控制方法为：麦克风阵列耳机采集的语音指令发送给语音识别处理设备，经过语音识别算法的匹配搜索之后，将识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机，再由席位计算机发送到屏幕上进行显示，操作人员通过油门台确认识别指令的正确性。本发明的有益效果是：本发明高识别率、高稳健性、能够实现语音回传、不受语言限制、适用于中、大型复杂无人机系统地面控制站。

Description

一种无人机地面控制站语音控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及无人机语音控制技术领域，具体的说，是一种无人机地面控制站语音控制系统及控制方法。
背景技术
地面控制站是无人机地面操控的核心，随着对任务复杂度要求的不断提升，作战环境的日趋恶劣，大量的信息需要操控人员快速了解并进行处理，高强度的工作也增大了操控人员的心理和身体的疲惫感。传统意义上的通过手工进行操作的人机交互方式已暴露出越来越多的缺陷与不足。随着多媒体技术、虚拟现实技术的不断发展，新一代的高效、智能化的人机交互方式将成为当今计算机领域重要发展趋势。其中基于语音识别控制的人机交互技术日益趋于成熟，通过该技术在无人机地面控制站人机交互的应用将逐步提高的无人机控制的高效性、实时性和自然性。
语音控制是通过非接触式控制，改善人机接口的结构与工作环境的有效方法，在保留部分系统手动控制的基础上，能够给操控人员提供一定的信息，并提供部分系统的控制指令，有效地降低操控人员的工作强度，并协助操控人员在复杂环境下完成任务，降低操控人员的工作负荷，提高工作效率，确保操控人员有更多的精力完成作战任务。王冲的《无人机语音指令控制系统技术》（[1] 王冲.无人机语音指令控制系统技术研究[D].南京：南京航空航天大学.2012.）中语音识别率达到93%（所用试验遥控对象为小航模直升机）。应捷，韩旭在《基于安卓语音识别的无人机控制系统》（[2] 应捷,韩旭.基于安卓语音识别的无人机控制系统[J].软件导刊,2017,16(5).）中使用Android设备上传语音命令操控，解放了人的双手，实现了语音控制无人机飞行，但机型受到了限制（四旋翼无人机为主体），同样使用语言技术受限。孔春梅，王英勋在《语音技术在无人机操控与显示系统中的应用》([3]孔春梅,王英勋. 语音技术在无人机操控与显示系统中的应用[J].中国航空学会控制欲应用第十三届学术年会,2008.)中提到的关于语音识别系统，仅是停留在理论研究阶段，并未进行实际的实践研发实现，得出的结论也欠缺实践的支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机地面控制站语音控制系统及控制方法，高识别率、高稳健性、能够实现语音回传、不受语言限制、适用于中、大型复杂无人机系统地面控制站。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无人机地面控制站语音控制系统，包括用于采集语音指令的麦克风阵列耳机、与麦克风阵列耳机连接的语音识别处理设备、与语音识别处理设备连接的席位计算机；所述席位计算机连接有席位显示器和油门台。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述油门台包括语音采集开关和语音确认开关，所述语音采集开关和语音确认开关分别与席位计算机连接。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述语音识别设备与席位计算机之间设置有交换机，所述语音识别处理设备通过交换机与席位计算机连接。
一种无人机地面控制站语音控制系统的控制方法，麦克风阵列耳机采集的语音指令发送给语音识别处理设备，经过语音识别算法的匹配搜索之后，将识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机，再由席位计算机发送到屏幕上进行显示，操作人员通过油门台确认识别指令的正确性。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述语音识别算法具体是指：通过特征提取将语音指令从简单的采样点数值转换为一系列特征参数向量序列，再加载声学模型和指令网表两大资源经过匹配搜索算法进行解码，得到最终的识别结果。
进一步地，为了更好的实现本发明，具体包括以下步骤：
步骤S1：按压油门台上的语音采集开关，席位计算机发送语音“开始”信号；
步骤S2：麦克风阵列耳机采集指令，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
步骤S3：松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别指令到席位计算机；判断指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
步骤S4：通过显示器上的文字提示进行指令判断；
若正确：则3s内按压语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若错误：则再次按压语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
进一步地，为了更好的实现本发明，当指令为多级指令时；所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：麦克风阵列耳机采集一级指令并等待，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
步骤S22：通过席位语音控制软件判定识别一级指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在显示器上显示错误提示；
步骤S23：通过显示器上的文字提示进行一级指令判断；
如果正确：则继续说出二级指令。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S3具体是指：
松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别结果到席位计算机，判定识别二级指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S4具体是指：通过显示器上的文字提示进行指令判断，
如果二级指令正确：则3s内按压油门杆上语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若操作员通过显示器上的文字提示判断一级指令错误，则操作员再次按压油门杆上语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若操作员持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明适用于中、大型复杂无人机系统地面控制站对无人机的语音控制系统，具备完善的软、硬件方案及实际设计，具备不低于95%的高识别率，通过语音技术的增强及中文引擎识别技术使系统具备高稳健性特点，通过更换中文语音模型为相应语种的语音模型，对应的指令列表进行替换，使系统不受语音限制。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明中语音识别引擎的框架图；
图3为本发明中实施例4的示意图；
图4为本发明中实施例5的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例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1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种无人机地面控制站语音控制系统，包括用于采集语音指令的麦克风阵列耳机、与麦克风阵列耳机连接的语音识别处理设备、与语音识别处理设备连接的席位计算机；所述席位计算机连接有席位显示器和油门台。
麦克风阵耳机：用于采集语音指令；
语音识别处理设备：对麦克风阵输出的语音指令数据信号进行滤波、放大处理后，转换为语音数字信号输出；
语音识别处理设备中加载语音信号识别处理软件、语音识别引擎；在语音识别引擎中嵌入了声学模型和指令网表，用于语音数据的识别处理。
席位计算机：用于发送语音采集标识，判断语音指令有效性及指令类型，输出显示或提示内容，发送无人机控制指令并接收无人机状态；席位计算机中加载席位语音控制软件，可完成界面要素查找、数据通信、语音数据指令识别以及指令处理等功能。
油门台：用于发送采集开关量和发送确认开关量。
在使用时,将麦克风阵耳机插于语音识别处理设备上，语音识别处理设备与席位计算机通过以太网进行连接；
按压席位油门杆语音采集按键；
操作员通过麦克风阵耳机说出语音指令进行语音指令的输入；席位计算机根据按键在前中后不同位置时发送的周期性状态信号的变化确定语音的开始、结束和确认，并将语音开始信号和结束信号发送给语音识别处理设备。
语音识别处理设备根据开始结束信号从麦克风中获取对应的语音指令数据；
由麦克风采集的语音指令数据，经过语音识别引擎的匹配搜索后，得到识别结果；
识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机软件；识别结果再由席位计算机软件发送到屏幕上进行显示，以便操作员进行指令正确与否的确认。
本发明适用于中、大型复杂无人机系统地面控制站对无人机的语音控制系统，具备完善的软、硬件方案及实际设计，具备不低于95%的高识别率，通过语音技术的增强及中文引擎识别技术使系统具备高稳健性特点，通过更换中文语音模型为相应语种的语音模型，对应的指令列表进行替换，使系统不受语音限制。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，一种无人机地面控制站语音控制系统的控制方法，麦克风阵列耳机采集的语音指令发送给语音识别处理设备，经过语音识别算法的匹配搜索之后，将识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机，再由席位计算机发送到屏幕上进行显示，操作人员通过油门台确认识别指令的正确性。
需要说明的是，通过上述改进，麦克风阵耳机采集音频数据的方法为：本项目采用一阶差分麦克阵列 (First-order Differential Microphone FDM)技术。
差分阵列可以在期望方向上有效地形成一个波束去拾取波束内的信号，并消除波束外的噪声，从而达到同时提取声源和抑制噪声的目的。采用FDM阵列频域语音增强算法，所需要的麦克风阵列体积小，使用灵活，麦克风阵列耳机间距可按照1cm大小进行布置，麦克风阵列耳机采用全向MEMS麦克风，从而可以方便得布放在耳机话筒上。使用FDM阵列频域语音增强算法可以在保证语音信号本身不失真的情况下使信噪比提高10dB以上，从而使其后端的语音识别取得更好的效果。此即基于麦克风阵列的语音增强技术。
所述的席位语音控制软件的原理为：席位语音控制软件集界面要素查找、数据通信、语音数据指令识别、指令处理等模块于一体；在系统需要处理的所有指令是事先规定并保存在“指令名称_指令代码对照表”中。由麦克风阵列耳机采集的语音指令，经过识别算法的匹配搜索之后，将识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机软件，再由席位计算机软件发送到屏幕上进行显示。席位语音控制软件框架须与地面站现有显控软件架构融合，对于地面站来说，语音仅仅是作为席位控制的多种输入方法之一，无论其功能是否正常，均不影响现有地面站显控软件的正常功能。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图2所示，所述语音识别算法具体是指：通过特征提取将语音指令从简单的采样点数值转换为一系列特征参数向量序列，再加载声学模型和指令网表两大资源经过匹配搜索算法进行解码，得到最终的识别结果。
声学模型：通过大量语音数据统计训练得到声学模型文件，用于描述不同的发音单元对应着特征参数向量序列的概率分布。
指令网表：根据给定的指令列表生成语法网络，即指令网表，这个语法网络本质是一种赋权有向图，描述了所有指令对应的声学模型中的状态模型的跳转关系。
匹配搜索算法即令牌传递算法，在语法网络中找出从起点到终点的一条跳转路径，这条路径上的状态模型与本次识别的特征参数向量序列的匹配概率最大，而所有状态模型连接起来所对应的文本就是识别结果。
当语音指令为中文时，语音识别方法中的声学模型中涉及不同的发音单元具体为声母和韵母。
当语言不同时，系统的架构无需变动，只需要将系统中的声学模型替换为相应语种的语音模型，对应的指令列表也进行替换，即可。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图3所示，一种无人机地面控制站语音控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：按压油门台上的语音采集开关，席位计算机发送语音“开始”信号；
步骤S2：麦克风阵列耳机采集指令，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
步骤S3：松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别指令到席位计算机；判断指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
步骤S4：通过显示器上的文字提示进行指令判断；
若正确：则3s内按压语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若错误：则再次按压语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。当指令为一级时，本设计的控制方法为：操作员通过按压油门杆上语音采集按钮，席位计算机发送语音“开始”信号，通过麦克说出指令，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
操作员松开油门杆上语音采集按钮，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备采集语音停止，并输出识别结果到席位计算机，通过席位语音控制软件判定识别指令是否有效，如果有效则显示指令内容在席位显示器上，若无效则在席位显示器上显示错误提示；操作员通过席位显示器上的文字提示进行指令判断，如果正确则3s内按压油门杆上语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令，若错误则操作员再次按压油门杆上语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入，若操作员持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图4所示，6．一种无人机地面控制站语音控制系统的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：按压油门台上的语音采集开关，席位计算机发送语音“开始”信号；
步骤S2：麦克风阵列耳机采集指令，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：麦克风阵列耳机采集一级指令并等待，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
步骤S22：通过席位语音控制软件判定识别一级指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在显示器上显示错误提示；
步骤S23：通过显示器上的文字提示进行一级指令判断；
如果正确：则继续说出二级指令。
步骤S3：松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别指令到席位计算机；判断指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
所述步骤S3具体是指：
松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别结果到席位计算机，判定识别二级指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
步骤S4：通过显示器上的文字提示进行指令判断；所述步骤S4具体是指：通过显示器上的文字提示进行指令判断，
如果二级指令正确：则3s内按压油门杆上语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若操作员通过显示器上的文字提示判断一级指令错误，则操作员再次按压油门杆上语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若操作员持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
若正确：则3s内按压语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若错误：则再次按压语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
当指令为多级时：操作员通过按压油门杆上语音采集按钮，席位计算机发送语音“开始”信号，通过麦克说出一级指令并等待，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别，并输出识别结果到席位计算机，通过席位语音控制软件判定识别指令是否有效，如果有效则显示指令内容在席位显示器上，若无效则在席位显示器上显示错误提示；操作员通过席位显示器上的文字提示进行一级指令判断，操作员松开油门杆上语音采集按钮，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备采集语音停止，并输出识别结果到席位计算机，通过席位语音控制软件判定识别二级指令是否有效，如果有效则显示指令内容在席位显示器上，若无效则在席位显示器上显示错误提示，操作员通过席位显示器上的文字提示进行指令判断，如果二级指令正确则3s内按压油门杆上语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；若操作员通过席位显示器上的文字提示判断一级指令错误，则操作员再次按压油门杆上语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入，若操作员持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无人机地面控制站语音控制系统的控制方法，其特征在于：麦克风阵列耳机采用一阶差分麦克阵列技术采集的语音指令发送给语音识别处理设备，经过语音识别算法的匹配搜索之后，将识别结果由语音识别处理设备发送给席位计算机，再由席位计算机发送到屏幕上进行显示，操作人员通过油门台确认识别指令的正确性；
所述语音识别算法具体是指：通过特征提取将语音指令从简单的采样点数值转换为一系列特征参数向量序列，再加载声学模型和指令网表两大资源经过匹配搜索算法进行解码，得到最终的识别结果；
所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤S1：按压油门台上的语音采集开关，席位计算机发送语音“开始”信号；
步骤S2：麦克风阵列耳机采集多级指令，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：麦克风阵列耳机采集一级指令并等待，语音识别处理设备进行语音采集后将其转换为语音数字信号并进行识别；
步骤S22：通过席位语音控制软件判定识别一级指令是否有效；若有效：则显示指令内容在席位显示器上；若无效：则在显示器上显示错误提示；
步骤S23：通过显示器上的文字提示进行一级指令判断；如果正确：则继续说出二级指令；
步骤S3：松开语音采集开关，席位计算机发送语音“结束”信号，语音设备处理设备停止语音指令采集，并输出识别结果到席位计算机，判定识别二级指令是否有效；
若有效：则显示指令内容在席位显示器上；
若无效：则在席位显示器上显示错误提示；
步骤S4：通过显示器上的文字提示进行指令判断，如果二级指令正确：则3s内按压油门杆上语音确认开关，将指令发送给席位计算机，并执行该指令；
若操作员通过显示器上的文字提示判断一级指令错误，则操作员再次按压油门杆上语音采集开关，重复以上过程进行指令的再次输入；
若操作员持续3s无操作行为，则席位计算机将会清空本次语音指令，并等待下次输入，席位显示器上清除相关显示内容。
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