WO2007028836A1 - Método para el reconocimiento de señales con un mi crocontrolador de bajo coste - Google Patents

Método para el reconocimiento de señales con un mi crocontrolador de bajo coste Download PDF

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Juan Pedro Barrera Vazquez
Luis Gonzaga Meca Castany
Gabriel Pons Fullana
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    • G10L15/00—Speech recognition
    • G10L15/02—Feature extraction for speech recognition; Selection of recognition unit

Definitions

  • the present invention relates to a method of recognizing a waveform by using a low-cost microcontroller.
  • DSP Digital Signal Processor
  • This type of electronic devices is characterized by offering great computing power, but it has the disadvantage of a relatively high cost.
  • the computing power they possess is necessary to carry out the traditional method of signal analysis using the Fast Fourier Transform (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • This method converts the signal from the temporal field to the frequency field, which facilitates the analysis and processing of the signals in the frequency field.
  • DSP Digital Signal Processor
  • This method requires that the signal to be analyzed be limited in time and repetitive. Examples of this type of signal are multiple, for example, the cry of a child, the barking of a dog, the noise of a machine, and in general all those repetitive sounds emitted by people, animals or things.
  • the originality of the method resides in not using a signal analysis in the frequency field, but in the temporal field. This change, by itself, eliminates the need to use the Fast Fourier Transform and therefore the use of Digital Signal Processors.
  • the method of the present patent rules out the use of patterns stored in a memory, with which the signal to be analyzed is compared. Instead, an identification procedure is performed using a fuzzy logic algorithm.
  • the signal analysis method of this invention is based on the use of a low cost microcontroller that incorporates an analog / digital converter.
  • the sampling phase begins.
  • This converter takes a series of samples at regular intervals, of the value of the amplitude of the signal envelope.
  • Direct signal samples are not taken, but the waveform of its envelope is previously obtained.
  • This difference is the key to being able to use a device without great demands in terms of calculation power, since it transforms the signal to be analyzed into a similar one, but much simpler from the analysis point of view.
  • the first consequence is the reduction in signal speed. This implies the possibility of using a low computing power microcontroller.
  • the low frequency of the signal to be analyzed allows a much larger number of samples to be taken than the lower limit of the Nyquist frequency.
  • This oversampling of the signal to be analyzed allows us to perform the analysis repeatedly with the two sample sequences.
  • This repetition of the analysis allows us to compare the results obtained according to the sequence of samples analyzed and to apply different validation algorithms that guarantee the reliability of the final result.
  • the way in which the waveform to be analyzed is characterized is based on the use of a matrix of temporal parameters of the waveform.
  • the microprocessor performs a series of calculations to obtain the following parameters:
  • a comparison is made between the elements obtained from the signal and the elements of the different reference matrices.
  • the value of said index is calculated relative to the other reference matrices.
  • the index does not have a prefixed value, allows us to accept waveforms with very different similarity values in appearance but that have a high degree of similarity between them in various elements of the matrix.
  • the mean value could be very different from the reference value, but if the values of the rest of the elements have a high degree of correlation, the identification is positive.
  • This method allows to automatically correct the decrease in the mean values of the signal as a consequence of the wear of the batteries in portable devices.
  • the maximum number allowed by the internal RAM of the microcontroller (in this case 64) is taken, so the needs in terms of memory capacity are very small.
  • the device in which the microcontroller has been incorporated is designed for portable use by the baby's caregiver.
  • the distance from the baby's mouth to which the device should be placed is between 20 cm. And Im. T / ES2005 / 000484
  • the distance limit values will depend on the regulation capacity of the block that the automatic level control performs.
  • the sound is captured by means of a microphone (1) coupled to a pre-amplifier (2) that increases the level of the captured signal.
  • a pre-amplifier (2) that increases the level of the captured signal.
  • the necessary signal (12) is provided so that the automatic level control block (3) can supply the envelope detector (4) with the optimal signal.
  • the signal envelope (13) is applied to an analog / digital converter (5) that obtains the samples of the instantaneous value of the signal (14).
  • the signal identification process can be started again at any time.

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Abstract

Método para el reconocimiento de señales, siempre que la señal esté limitada en el tiempo y sea periódica, que comprende la obtención de la envolvente, la toma de muestras del valor instantáneo de su amplitud que mediante diversos parámetros temporales y su comparación con diferentes matrices de referencia, que permiten identificar su pertenencia a una de dichas matrices mediante el uso de un microcontrolador de bajo coste, ya que la potencia de cálculo necesaria es para realizar operaciones básicas de cálculo, incorporadas en los microcontroladores más sencillos.

Description

"MÉTODO PARA EL RECONOCIMIENTO DE SEÑALES CON UN MI- CROCONTROLADOR DE BAJO COSTE"
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un método para reconocer una forma de onda mediante la utilización de un microcontrolador de bajo coste.
Su ámbito de aplicación es muy amplio siempre que la señal esté limitada en el tiempo y sea periódi- ca, por ejemplo para diferenciar entre los diferentes tipos de llanto de un bebé, la rutina de una máquina, etc.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente existen métodos para el reconocimiento de formas de onda basados en la utilización de un dispositivo electrónico conocido como Procesador Digital de Señal (ó DSP, por sus siglas en inglés) .
Este tipo de dispositivos electrónicos se caracterizan por ofrecer una gran potencia de cálculo, pero tiene el inconveniente de un coste relativamente alto. La potencia de cálculo que poseen, es necesaria para llevar a cabo el método tradicional de análisis de señal mediante la Transformada Rápida de Fourier (FFT) .
Este método, la FFT, convierte la señal desde el campo temporal al campo frecuencial, lo que facilita el análisis y el procesado de las señales en el ámbito de las frecuencias.
Existen múltiples aplicaciones en el campo del procesado de las señales de sonido, tanto en el ámbito de la música como en el campo del reconocimiento de voz, todas ellas basadas en el uso de un tipo u otro de Procesador Digital de Señal (DSP) .
Si embargo el gran coste, asociado a este tipo de dispositivos electrónicos, impide su empleo en aquellos aparatos del campo de la Electrónica de Con- sumo, donde el coste es uno de los factores principales para juzgar la viabilidad de un aparato determinado .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para solucionar este inconveniente, se ha inventado un método de reconocimiento de forma de onda que se puede implementar en un microcontrolador de ba- jo coste. Ello permite su utilización en todos aque- 5 000484
-3- llos aparatos de Electrónica de Consumo para los que antes estaba descartado.
Este método requiere que la señal a analizar sea limitada en el tiempo y repetitiva. Los ejemplos de este tipo de señales son múltiples, por ejemplo, el llanto de un niño, el ladrido de un perro, el ruido de una máquina, y en general todos aquellos sonidos repetitivos que emitan las personas, animales ó cosas.
La originalidad del método reside en no utilizar un análisis de la señal en el campo de la frecuencia, sino en el campo temporal. Este cambio, por si sólo, descarta la necesidad de usar la Transformada Rápida de Fourier y por lo tanto el empleo de los Procesadores Digitales de Señal.
El método de la presente patente, descarta el uso de patrones almacenados en una memoria, con los cuales se compara la señal a analizar. En su lugar se realiza un procedimiento de identificación mediante un algoritmo de lógica difusa (Fuzzy Logic) .
El uso de dicho algoritmo, permite absorber ciertas variaciones de amplitud en la señal de entrada que de otra forma serian descartadas como no coincidentes con un patrón. No obstante, se requiere que la señal a analizar tengo un margen dinámico muy reducido, por lo que es imprescindible un control automático de la amplitud de la señal que se analiza. 5 000484
-4-
El método de análisis de señal, de esta invención, se basa en la utilización de un microcontrolador de bajo coste que incorpore un convertidor analógico/digital .
En el momento en que se detecte el comienzo de la señal periódica, comienza la fase de toma de muestras .
Mediante este convertidor se toman una serie de muestras a intervalos regulares, del valor de la amplitud de la envolvente de la señal.
No se toman muestras directas de la señal, sino que se obtiene previamente la forma de onda de su envolvente .
Esta diferencia es la clave para poder utilizar un dispositivo sin grandes exigencias en cuanto a po- tencia de cálculo, ya que transforma la señal a analizar en otra similar pero mucho más simple desde el punto de vista del análisis.
El hecho de que la señal sea repetitiva, nos permite tomar las muestras de la envolvente sólo durante un periodo de repetición de la señal.
La primera consecuencia es la reducción en la velocidad de la señal. Esto implica la posibilidad de usar un microcontrolador de baja potencia de cálculo. En segundo lugar se produce un filtrado automático de las frecuencias altas, asociadas al ruido ambiente, con lo que el método posee una gran resistencia al ruido ambiente, si se compara con los métodos tradicionales.
En tercer lugar se elimina la información de frecuencia instantánea de la señal. Esto hace al método independiente de la frecuencia.
La baja frecuencia de la señal a analizar, permite tomar un número de muestras mucho mayor que el limite inferior de la frecuencia de Nyquist.
Para poder aplicar métodos de comparación por redundancia, se tomarán un número de muestras 2X veces la frecuencia de Nyquist.
Este sobre-muestreo de la señal a analizar, nos permite realizar el análisis de forma repetida con las dos secuencias de muestras.
Esta repetición del análisis nos permite comparar los resultados obtenidos según la secuencia de muestras analizada y aplicar diferentes algoritmos de validación que garantizan la fiabilidad del resultado final .
La redundancia de resultados obtenidos en se- ries consecutivas de muestras, nos permite a su vez T/ES2005/000484
-6- poder descartar aquellas que se hayan visto afectadas por un ruido de tipo impulsivo.
Para el caso en que se utilice este método en aparatos portátiles, hay que tener en cuenta el efecto sobre las muestras, producido por el desgaste de las baterias .
La forma en que se caracteriza la forma de onda a analizar está basada en la utilización de una matriz de parámetros temporales de la forma de onda.
A partir de las muestras tomadas, verificadas y con los errores corregidos, el microprocesador realiza una serie de cálculos para obtener los siguientes parámetros :
1.- Valor medio. 2.- Valor cuadrático medio. 3.- Ciclo de trabajo.
4.- Derivada de primer orden. 5.- Derivada de segundo orden. 6. - Valor Máximo . 7.- Valor Minimo .
Para determinar si una señal pertenece a un conjunto de señales de referencia, se realiza una comparación entre los elementos obtenidos de la señal y los elementos de las diferentes matrices de referen- cia. Para asignar la pertenencia de una matriz determinada a un grupo de referencia, ésta debe mostrar una correlación entre todos los elementos de la matriz superior a un Índice determinado.
El valor de dicho índice se calcula de forma relativa con respecto a las demás matrices de referencia.
El hecho de que el índice no tenga un valor prefijado, nos permite aceptar formas de onda con valores de semejanza muy dispares en apariencia pero que tienen entre sí un alto grado de semejanza en varios elementos de la matriz.
Por ejemplo, el valor medio podría ser muy distinto del de referencia, pero si los valores del resto de los elementos tienen un alto grado de correlación, la identificación es positiva.
Este método, permite corregir de forma automática la disminución de los valores medios de la señal como consecuencia del desgaste de las baterías en los aparatos portátiles.
Hay que señalar que sólo se utilizan un número muy reducido de valores por cada señal a analizar (en esta caso siete) , o lo que es lo mismo, muy pocos registros de la RAM del microprocesador . 005/000484
-8-
En cuanto a las muestras, se toman el número máximo que permita la memoria RAM interna del micro- controlador (en este caso 64), por lo que las necesidades en cuanto a capacidad de memoria son muy peque- ñas .
En cuanto a la potencia de cálculo necesaria, hay que destacar que sólo es necesario realizar operaciones básicas de cálculo (en este caso sumas y restas de registros de 8 bits, no se necesita realizar ninguna multiplicación ni división) , incorporadas en los microcontroladores más sencillos.
Por todo ello las necesidades en cuanto a po- tencia de cálculo del microprocesador son muy pequeñas .
Como consecuencia de la escasa potencia de cálculo y de la poca cantidad de memoria RAM, se pueden utilizar microcontroladores de los más pequeños, y por lo tanto de menor coste, del mercado.
A destacar que todo el proceso tiene una duración inferior a unas décimas de segundo.
Por ello, desde el punto de vista del usuario, el análisis se produce de forma instantánea. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor compren- sión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado lo siguiente :
- La figura 1 muestra los diferentes pasos que se siguen para el procesado de la señal.
- La figura 2 muestra la obtención del envol- vente y la digitalización del mismo.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
El método descrito en esta patente se ha imple- mentado en un microcontrolador que realiza el análisis del sonido del llanto de un bebé.
El aparato en el que se ha incorporado el mi- crocontrolador está diseñado para su uso portátil por parte de la persona cuidadora del bebé.
La distancia desde la boca del bebé a la que se debe situar el aparato, está entre 20 cm. Y Im. T/ES2005/000484
-10-
Los valores límite de distancia dependerán de la capacidad de regulación del bloque que realice el control automático de nivel.
La captación del sonido se realiza mediante un micrófono (1) acoplado a un pre-amplificador (2) que aumenta el nivel de la señal captada. De esta forma se proporciona la señal (12) necesaria para que el bloque de control automático de nivel (3) consiga suministrar al detector de envolvente (4) la señal óptima.
Una vez obtenida la envolvente de la señal (13) , se aplica a un conversor analógico/digital (5) que obtiene las muestras del valor instantáneo de la señal (14) .
A continuación se realizan las comparaciones de los valores obtenidos con aquellos almacenados en las matrices de referencia (15) .
Una vez identificada la pertenencia de la señal a un grupo de referencia determinado, se presenta dicha información en un visualizador de cristal líquido (7) .
En el caso de que no se haya identificado la pertenencia a ningún grupo, se muestra un mensaje de error en la identificación.
Como función accesoria, se dispone de una memo- ES2005/000484
-liria (8) en la que se han grabado los consejos adecuados a cada una de las situaciones de identificación.
Mediante un pulsador (9) de control del usua- rio, se puede volver a comenzar el proceso de identificación de la señal en cualquier momento.
Utilizando otros dos pulsadores se puede avanzar (10) o retroceder (11) entre los diferentes con- sejos que se muestran en el visualizador .

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, que comprende la obtención de la envolvente (13) , la toma de muestras del valor instantáneo de su amplitud (14), caracterizado porque mediante diversos parámetros temporales (3) y su comparación con diferentes matrices de referencia (15) permiten identificar su pertenencia a una de dichas matrices mediante el uso de un microcontrolador de bajo coste .
2.- Método para el reconocimiento de seña- les con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado porque los parámetros de la señal que se comparan comprenden el valor medio, el valor cuadrático medio, el ciclo de trabajo, la primera derivada, la segunda deri- vada, el valor máximo y el valor mínimo, de la propia señal.
3.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado por usar un regulador automático de volumen para compensar el cambio de los valores de la señal producido por el desgaste de las baterías en los aparatos portátiles.
4.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado porque utiliza un método relativo de comparación para incrementar el Índice de aciertos.
5.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado porque utiliza el análisis temporal de una señal, mediante un microcontrolador com muy pocos recursos de memoria.
6.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado porque emplea un control automático de nivel de la señ'al de entrada, para que el resultado del análisis sea casi independiente de la distancia de captación del sonido .
7.- Método para el reconocimiento de señales con un microcontrolador de bajo coste, según la reivindicación 1, caracterizado por utilizar un método de alta velocidad de caracterización de la señal para presentar el resultado en tiempo real.
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