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文档简介

1、中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共1页智能轮椅语音导航控制系统的设计摘要语音识别技术是使机器通过识别和理解把语音转变为相应的文本或命令的技术。语音识别是一门交叉学科,正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术。目前语音识别系统按核心硬件来分主要有:以PC 机为核心硬件的语音识别系统和以专用芯片为核心的语音识别系统。本课题主要阐述了一种非常适合语音处理的单片机 凌阳 SPCE061A 勺原理,并实现了基于凌阳 SPCE061 单片机的语音控制轮椅。本文主要工作包括,首先介绍了语音识别基础知识以及常用的语音识别算法,然后根据嵌入式系统的特点和本课题所要求实现的具体功能,给出

2、了基于凌阳SPCE061A 单片机的语音控制轮椅系统硬件和软件设计的总体方案。此系统不仅具有体积小、耗电省、价格低、性能可靠的特点,还具有较快的运算速 度、较高的识别率,可实现实时的语音识别。本系统的语音提示功能为人机交流提供了 一个良好的界面。关键词:轮椅机器人,语音识别,SPCE061A中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共2页ABSTRACTThe speech recog niti on tech no logy is a high tech no logy, which make the machi ne change the speech into homo

3、logous text or order by recog niti on and comprehe nd. The speechrecog niti on is a cross-subject, and it is beco ming the key-tech no logy of huma n-computer interface in in formati on tech no logy.At prese nt, accordi ng to the differe nee of hardware core, the speech recog niti on systemincludes:

4、 the speech recognition system using PC as its hareware core and the speechrecognition system using special chip. The article introduces a microcontroller which fits toprocessing speech-SUNPLUS SPCE061A microchip and its principle, achieve the speech controli ng wheelchair based on SPCE061A.The main

5、 work of this paper in cludes, firstly in troduced the basic kno wledge of speechrecognition and speech recognition algorithm, then according to the specific features of theembedded system and the implementation requirements, presents the overall scheme ofwheelchair system hardware and software desi

6、g n of the con trol voice Sun plus based onSPCE061A sin gle chip microcomputer.This system not only has the adva ntages of small volume, low power con sumpti on, lowcost, reliable performa nee, recog niti on but also has high operati on speed, high efficie ncy, canrealize the real-time speech recog

7、niti on. The speech the system prompt fun ctio n provides agood in terface for huma n-computer in teractio n.Keywords: wheelchair robot, speech recog niti on, SPCEO61A1 引言1.1 研究背景中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共3页目前,助老/助残系列产品的研发己纳入国家 863 计划之列,可见此类产品的重要性 及其对和谐社会建立的战略意义。智能轮椅作为助老/助残系列产品之一,其智能化体现 在多方面。其中

8、,为其提供一个自然的语音控制界面是其智能化的一个重要体现。把语音识别算法移植到嵌入式设备中,实现轮椅的自主运动具有重要的现实意义。对于硬件的实现,需要考虑实际系统的需求与成本,以避免资源的浪费,同时降低了成本 以提高性价比。轮椅语音识别控制系统是属于一个拥有几十个词的小词汇量的识别控制 系统,系统要求上不在于大词汇量与连续语音识别,而在于准确性与稳健性,对此选择一 种性价比高的 SOC结构的嵌入式系统不仅可以大大减少了芯片数量,而且能够提供高集 成度和相对低成本的解决方案,同时也使得系统的可靠性大为提高,还可以满足嵌入式 系统对体积的要求。台湾凌阳 16 位单片机 SPCE061A 是一款性能

9、良好的嵌入式微处理器,具有体积小、 集成度高、可靠性好且易于扩展,较强的中断处理能力,高性能价格比,功能强!效率高的 指令系统,低功耗、低电压等特点。采用 SPCE061 作为机器人系统的核心的部件,利用 其所具有的语音处理和 DSP 功能,不仅可以对机器人的语音控制,而且还可以快速地对语 音信号进行处理,从而实现自然人对机器人的控制。本文采用 SPCE061;作为轮椅语音控制系统的核心,实现了轮椅的前进、后退、左拐、右拐、停止、加速、减速运动,还可以根据运动要求通过语音实现轮椅的变速运动。基 于 SPCE061的语音控制系统结构简单,性价比高,易于功能扩展和移植,具有广阔的应用 前景。1.2

10、 国内外研究现状与发展趋势国外对智能轮椅的研究可以追溯到 20 世纪 80 年代,世界第一辆智能轮椅是英国 于 1986年研制的。继英国之后,其它国家也投入大量经费开始了智能轮椅的研究,研 发机构大部分为高等院校和科研机构。当时的研发机构有:美国麻省理工学院、不莱梅 大学、德国乌尔姆大学、韩国高级科技研究所等24。由于各个研发机构的研究内容和方 法不同,所以研发的轮椅具备不同的功能。各大研发机构中研制的功能比较齐全的一款智能轮椅是由美国麻省理工智能实验室研制的。这款智能轮椅是在电动轮椅的基础上配备了PC 机和各种传感器,此轮椅具备人机界面交互功能。使用者可以使用操纵杆方式、菜单方式或者用户界面

11、接口方式对 轮椅进行控制。在操纵杆方式下,用户通过控制操纵杆来控制轮椅的各种运动并且可以 实现避碰;用户界中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共4页面模式下,用户可以使用鹰眼系统来驱动智能轮椅的运动。该轮椅在 国际联合会的机器人轮椅展中获得冠军,并且是唯一不需要人来指导就可以穿过门口的机器人。我国对智能轮椅的研究晚于世界其它国家,虽然在机构的复杂性和灵活性上和国外 有一定差距,但某些技术指标已经接近国外先进水平。中科院自动化所承担了“ 863”智能机器人智能轮椅项目,研制出我国第一台多模 态交互式智能轮椅样机,该样机采用嵌入式控制系统。该机器人轮椅名为 NLPR 具有

12、视觉和口令导航功能并且能够与人进行语音交互,用户能够通过语音控制轮椅实现各种运动。在智能机器人领域内,目前有一些人工智能产品可以与人进行短暂的对话,比如爱 尔兰媒体实验室开发的名为“人类”的新型机器人; 以及中国科学院自动化研究所最新 研制的表情机器人“童童”等。语音识别技术在机器人控制领域的应用体现在语音控制 机器人技术上,因此,语音控制机器人技术的研究与发展取决于语音识别技术的研究与 发展5。60 年代的重要成果是提出了线性预测分析技术(Lin ear Predicti on, LP) 和动态规划算法(Dyn amic Programmi ng,DP),较好的解决了语音的特征提取和时间不等

13、长匹配问 题。70 年代,人们对语音识别技术的研究开始了飞速发展,研究重心为孤立词语音识别,并取得了突破性成果。动态时间归整技术 (Dynamic Time Warping,DTW 基本成熟, 特别是提出了矢量量化(Vector Qua ntizatio n,VQ) 和隐马尔可夫模型(Hidden MarkovModel,HMM 理论。实现了基于线性预测倒谱和DTW 技术的特定人孤立词语音识别系统。80 年代,语音识别研究进一步走向深入,连接词和大词汇量连续语音识别成为研 究热点,HMM 模型和人工神经网络(ANN)算法在语音识别中成功应用。统计模型取代模 板匹配的方法成为主流的语音识别技术。

14、具有代表性的系统有:1988 年美国卡耐基?梅隆大学(CMU 基于 VQ/HMM 开发的 997 个词汇的非特定人连续语音识别系统 SPHINX90 年代,语音识别技术逐渐由实验室走向实用化。许多国外大公司推出了比较成功的大词汇量、连续语音识别系统,比如IBM 的 ViaVoice 系列、Microsoft 的WhisPer、CMU 的 SPHINX-II,这些系统大多都采用了隐马尔可夫模型。目前具有代表性的语音识别方法主要有特征参数匹配法、 隐马尔科夫法和神经网络 法。中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共5页在语音识别领域,IBM 公司的技术已日趋成熟。IBM 公司

15、于 1998 年开发出可以 识别上海话、四川话和广东话等地方口音的语音识别系统 ViaVoice 98,其平均识别 率可以达到 90%以上,是目前最具有代表性的汉语连续语音识别系统。我国的语音识别研究工作近年来发展很快,同时也开始从实验室逐步走向实用化。1987 年开始执行 863 计划, 国家 863 智能计算机主题 专家组为语音识别的研究立 项。 从 1991年开始,专家组每一两年举行一次全国性的具有较高水平的语音识别系统 测试,这些都说明汉语语音识别研究已经走上了组织化的道路。目前,我国对语音识别技术的研究在某些领域已达到国际先进水平。科大讯飞作为我国最大的智能语音技术提供商,在智能语音

16、技术领域有着长期的研究积累,并在中文语音合成、语音识别、口语评测等多项技术上拥有国际领先的成果。科大讯飞曾在国际英文合成大赛(BlizzardChalle nge )上夺得六连冠,在 2011 年的 “2011NIST语种识别评测大赛上获得国际亚军,为中国科技界赢得了荣誉。从各大公司、各研究机构的语音研究项目来看,语音识别正在向综合化方向发展。总之,语音识别的研究正在朝深度和广度不断发展。1.3 主要设计工作1、 在熟悉智能轮椅的工作原理的基础上, 进一步深入分析基于语音识别技术的智 能轮椅导航控制系统的运行原理;2、 分析语音识别的基本方法,进行系统总体设计;3、 在理解凌阳 16 位单片机

17、 SPCE061A 勺工作原理后,进行智能轮椅语音导航控制系统的硬件选型与电路设计;4、 绘制语音导航控制系统的硬件电路原理图;5、 进行智能轮椅语音导航控制系统的软件设计。2 凌阳 SPCE061A 单片机简介2.1 概述中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 6 页共6页SPCE061A 是台湾凌阳科技公司研制的一个 16 位架构的微控制器。它的内核采用凌阳公司最新推出的 Microcontrollerand Signal Processor (简称 ynSP?) 16 位微处理器芯片。SPCE061A 既具有体积小、集成度高、可靠性好的特点,又具有较强的中断处 理能力、高性价

18、比和功能强、效率高的指令系统及低功耗、低电压的特点。因此,SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。2.2 主要性能 16 位 unSP?微处理器;工作电压(CPU VDD 为 2.4-3.6V (I/O ) VDDH 为 2.4-5.5V ; CPL 时钟:0.32MHz-49.152MHz内置 2k SRAM内置 32k FLASH可编程音频处理;晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电仅为 2 卩 A3.6V 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值); 2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道; 32 位通用可

19、编程输入/输出端口; 14 个中断源可来自定时器 A/B,时基,2 个外部时钟源输入,键唤醒;具备触键唤醒的功能;使用凌阳音频编码 SACM-S24 方式(2.4kb/s ),能容纳 210 秒的语音数据;锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号; 32768Hz 实时时钟; 7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC 和单通道声音模-数转换器;中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共7页声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC 功能;具备串行设备接口;具有低电压复位(LVR 功能和低电压监测(LVD 功能;内置在线仿真电路 ICE(I n- Circ

20、uit Emulator)接口;具有保密能力;具有 WatchDog 功能。2.3 结构SPCE061A 勺结构如图 2.1 所示:IOA15-0IOA15-0IOB15-0IOB15-0图 2.1 SPCE061A 结构图2.4 61 板的结构61 板除了具备单片机最小系统电路外, 还包括电源电路、音频电路(含 MIC 输入部中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共8页分和 DAC 音频输出部分)、复位电路等,采用电池供电,方便随身携带。 61 板上有调试器( PROBE接口以及下载线(EZ_PROBE 接口,分别可接凌阳科技的在线调试器、简 易下载线,配合 卩 5SP

21、IDE,可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。图2.2是 61 板(V1.6 版)的实物图。61 板的硬件结构框图如图 2.3。1.06 cm图 2.3 61 板硬件结构框图VICPLLRESETSPCE061A(PLCCSI)PORTA图 2.2 61 板实物图片PORTB POV;ER SLEEP中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共9页61 板的硬件电路大体上可分为 SPCE061AR小系统、电源电路、音频电路、ICE 接口等模块,下面分别介绍 61 板的各部分电路中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共10页2.5 SPCE061A

22、最小系统SPCE061A!小系统中,包括 SPCE061 芯片及其外围的基本模块,其中外围的基本模块有:晶振输入模块(OSC、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET、指示灯(LED 等,如图 2.4 所示。图 2.4 SPCE061A 最小系统(1)电源电路图 2.5 是电源部分的电路,由电池盒提供的 4.5V 直流电压经过 SPY0029H 产生 3.3V 给整个系统供电。SPY0029 是凌阳公司设计的电压调整 IC,采用 CMO 工艺,具有静态 电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。图中的VDDH 为 SPCE061A 勺 I/O 电平参考,如果该点接 SPCE061APLCC

23、84 封装,下面的介绍中当出现 SPCE061A 勺引脚描述时, 均指此封装的芯片)的 51 脚,可使 I/O 输出高电平为 3.3V; VDDP 为 PLL 锁相环电源, 接C1T- CiB1lOk2-CSCi11VDCzI-二片T7 :vssDAC122Z425pFIKMICi/LT27 ,89 SQ 0ZUZ OSso. ss-004皿专XdOAON DzX5CEXCECLKXCESDAvssDAC1VREF2VSS AGC0P=MIQOVTMICNs-FUSE机NC HCNICMC忡百MCNICPVPPIQS11II0B12IOB1110614I0B15-KStEEPVSSXOIVTI

24、0A15lOAl-iIQA1JI0A12I0A11II0A1Q6S 4 0BI1fl7OBI2OEI3S4fl3j二二二40AI556QA14酸OA135厂5ATJ7:GUAlQVREFi1-1厂;J.J13CONC31ic7T&4VSS12中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共11页SPCE061A 勺 7 脚;VDD 和 VDDA 分别为数字电源与模拟电源,分别接 SPCE061A 勺 15 脚中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共12页和 36 脚;AVSS 是模拟地,接 SPCE061A 勺 24 脚;VSS 是数字地,接 SPC

25、E061A 勺 38 脚;AVSS2 接音频输出电路的 AVSS2。(2)音频电路音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。图 2.6 是音频输出电路图。SPCE061A 内置2 路 10 位精度的 DAC 只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图中的 SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片,可以工作在 2.4-6V 范围内,最大输出功率可达 700m 艸。图 2.6 音频输出电路SPCE061A5 片中已经集成了音频输入专用 ADC 以及 AGO 大电路,因此芯片外部的 电路比较简单,图 2.7 是 61 板的音频输入电路模块。中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共1

26、3页MICC1A7SS1220JRt IK-Ml -LU CROP HONER33K1SS.AICE 接口电路R.43KCi 1C1322-R5 10K,R6jDKC9:1D4刁P2u+ C6MICPrzklri图 2.7 音频输入模块SPCE061A5片内部集成了 ICE(在线仿真)接口,或 EZ_PROBE 简易下载线)与AVSS1C13LAGC-R7 5.1KJSSVAPC 机通过 PROB(在线调试器)61 板相连,就可以方便地完成程序的下载、调试等。61板为 PROB 和 EZ_PROB 各自提供了一组接口,可通过 S5 跳线来选择使用的接口类型。ICE 接口部分电路如图 2.8 所

27、示。EZ-PROBE0E1扎5TOF.EE1VDC3USY233CE El,DO二E 5CKvss斗5CON3:E EC A. ssCON 5CONS3452633jitSSR2B %33K. PROBE-|b1R23 33IVSSLL6a:PD1R24 33f产11XZ13VSS17OE1 N11938VDD203.3K1A1111A21Y21A31Y31A41Y42A12Y12A22Y22A32Y32A42Y4GND逵2OEvcc74HC2411B幺丨二芒_$啓S31*0)有语音触发?*PO B_Data=0 x0000; 临时停车switch(Result)case NAMED:识别出名

28、称命令Stop();停车待命break;case COMMAND_GOD:识别出第一条命令GoAhead();执行动作一:直走break;case COMMAND_BACK_ID: 识别出第二条命令BackUp();执行动作二:倒车break;case COMMAND_LEFT_ID:识别出第三条命令TurnLeft();执行动作三:左转break;case COMMAND_RIGHT_ID:识别出第四条命令TurnRight();/执行动作四:右转break;中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共30页default:break;4.3 中断子程序虽然已经有了前进、后

29、退以及停车(通过直接呼叫轮椅的名字使其停车)等语音控 制指令,但是考虑环境的干扰因素,轮椅运行时的噪音影响和有效距离的限制,轮椅运 行后可能接收不到语音指令而一直运行。为了防止出现这种情况,加入了时间控制,在 启动轮椅运行的同时启动定时器,定时器时间到停止轮椅的运行,该定时器借助于2Hz时基中断完成,图 4.4 所示为该程序的流程图。可以在程序中修改uiTimeset 参数来控制运行时间,当 uiTimeset=2 时,运行时间为 1s,以此类推。中断服务程序如下:_FIQ:寄存器入栈PUSH R1,R4 TO SP读中断标志位R 仁P_INT_CtrlR1&=0 x2000JZ FI

30、Q_ret/不是 TimerA FIQ 中断R1=_glsStopRecogJNZ TimerA_is_S480TimerA_is_Recognize:/TimerA FIQ 为语音识别服务 call_BSR_FIQ_Routi ne语音识别服务函数中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共31页JMP FIQ_retTimerA_is_S480:/TimerA FIQ 为放音服务CALL F_FIQ_Service_SACM_S480; 放音服务函数 FIQ_ret:R1=0 xa800;PN T_Clear=R1;/清中断标志POP R1,R4 FROM SP;/寄 存

31、器出栈reti;4.4 动作子程序动作子程序包括:前进、倒车、左拐、右拐、停车子程序(1)前进:由轮椅的结构原理和驱动电路分析知:只要 IOB8 为高电平,IOB9,IOB10,IOB11 全部为低电平即可实现轮椅的前进。前进子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作前进动作子程序如下:void GoAhead() 前进PlayS nd(S_ACT1,3);提示*P0 B_Data=0 x0100; 前进*P_INT_Mask |= 0 x0004;/以下为中断定时操作 _asm(i nt fiq,irq);uiTimec ont = 0;(2)倒车:由轮椅的结构原理分析和驱动电路分析知:

32、 只要 IOB9 为高电平,IOB8,IOB1O, IOB11 全部为低电平即可实现轮椅的倒退。 倒退子程序包括语音提示、置端口数 据、启动定时器操作。倒车动作子程序如下:void BackUp() 倒退PlayS nd(S_DCZY,3);提示*PO B_Data=0 x0200;/ 倒退*P_INT_Mask |= 0 x0004;/以下为中断定时操作 _asm(i nt fiq,irq);uiTimec ont = 0;中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共32页(3)左转:由轮椅的结构原理分析和驱动电路分析知:轮椅左转需要两个条件:1)前轮左偏;2)后轮前进,这

33、时对应的 I/O 状态为:IOB8 IOB10 为高电平,IOB9、IOB11 为低电平。左转子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。左转动作子程序如下:void TurnLeft()/ 左转PlayS nd(S_GJG3);*PO B_Data=0 x0900;/ 右转Delay();/ 延时*PO B_Data=0 x0500; 左转*P_INT_Mask |= 0 x0004;/以下为中断定时操作 _asm(i nt fiq,irq);uiTimec ont = 0;(4)右转: 由轮椅的结构原理分析和驱动电路分析知:轮椅右转需要两个条件: 1) 前轮右偏;2)后轮前进,这时对应

34、的 I/O 状态为:I0B8 I0B11 为高电平,I0B9、IOB10 为低电平。右转子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。右转动作子程序如下:void TurnRight() 右转PlayS nd(S_GJG3); 语音提示*PO B_Data=0 x0500; 左转Delay(); 延时*PO B_Data=0 x0900;/ 右转*P_INT_Mask |= 0 x0004;/以下为中断定时操作_asm(i nt fiq,irq);uiTimec ont = 0;注:在转弯之前首先让前轮朝目标方向的反方向偏转,然后再让前轮朝目标方向偏 转,这样前轮的摆动范围更大,惯性更大,摆

35、幅也最大,能更好实现转弯。4.5 连接与调试本设计对软件的仿真与下载要用到凌阳公司提供的集成开发环境卩SPIDE (简称中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书第 10 页共33页IDE)。IDE 集程序的编辑、编译、链接、调试、仿真功能为一体。具有良好的交互界面、 下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等使程序设计更加方便高效,此外还可以组织多 个程序文件形成一个系统开发的项目,这样更有利于一些大型系统的开发和各功能的模 块化,同时还结合 SPCE061A 单片机的硬件提供各类在线调试窗口,使调试程序变得更 加直观和简单。4.6 总结分析本设计综合应用了 SPCE061A 丰富的软硬件资

36、源,成功的实现了语音控制功能。下 面简单的介绍一下实际应用中的一些资源优势:在硬件方面,较高的执行速度、内置的 硬件乘法器、ADC 和 DAC 功能、内置的 AGC 自动增益环节,这些为语音处理提供了强大 基础。在软件方面,标准的 C 语言编程,丰富的语音资源函数为编程提供了很大的方便。该设计方案结构简单,以单芯片实现了语音播放与识别以及电机控制功能,相当于“语音识别芯片+普通单片机”的功能。但是比“语音识别芯片 +普通单片机”方案实现 起来要简单很多,而且成本也会降低很多。该语音控制轮椅操作比较简单,训练和识别成功的几率也比较高,是一个典型的语 音识别应用方案。中北大学信息商务学院 2013

37、 届毕业设计说明书第 10 页共34页参考文献1 罗亚非。凌阳 16 位单片机应用基础。北京:国防工业出版社,20042 Holly A.Ya neo, Arma Hazel, Alis on Peacock, Suza nna Smith, and Harriet Win termute.In itialReport on Wheelesley: A Robotic Wheelchair System.http:/3 Axel Lanken au, Thomas Rofer. A Versital a nd Safe Mobility Assista ntJ. IEEE Roboticsan

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