基于ARM11的家用智能垃圾桶的设计与实现

(1)时延估计。时延估计采用广义互相关法。假设两传声器m1和m2间距为d，在没有混响的情况下，两传声器接受到的信号x1(t)和x2(t)为
x1(t)=α1s(t)+n1(t) (1)
x2(t)=α2s(t-τ)+n2(t) (2)

其中，s(t)为声源信号；α1、α2是声波从声源到传感器的传播衰减系数；τ是声源传播到两个传感器所需延迟时间，即到达时延。n1(t)、n2(t)为环境噪声。这时，到达时延(TDOA)可以采用传统的互相关法进行估计，这时互相关方程为

其中，是传声器1、2拾取信号的互相关谱；ψ12：(ω)是权函数；φx1x2(ω)=ψ12(ω)Gx1x2(ω)是广义互相关谱，这样到达时延为。

根据上式选取不同的权函数ψ12(ω)就可得到到达时延的不同算法，它的选取可根据实际的声学环境选择相应的准则，使得Rx1x2(τ)有个比较尖锐的峰 值，得到最好的估计效果。Rx1x2(τ)的峰值处即为两传声器间的时延。但在实际应用中，权函数的选取是一个难点。目前用得较多的是基于互功率谱相位加 权(CSP)法，其中加权函数选为ψ12=1/|Gx1x2(ω)|。这种方法通过对信号互功率谱的归一化，去除了信号的幅度信息，只保留了信号的相位特 性，对于噪声和混响都有一定的抑制效果。

(2)方位估计。采用几何定位法，利用角度距离估计方位。利用两个拾音器摆成如图4所示，利用拾音器1和2接收到得时间差就可以检测出声源偏离主轴的角度θ。

由图4可得

由于AB距离和V声音已知，时延(tA-tB)可由式(1)～式(3)算出，再由式(4)和式(5)可求得声源偏移正方向的角度θ，则可控制电机转动使垃圾桶向用户方位旋转并前进。

2.2 特定语音识别算法
针对特定语音的识别，采用动态时间规整(DTW)的算法，是一种把时间规整和距离测度的计算结合起来非线性规整技术，多用于孤立词的语音识别。语音识别过程如图5所示。

首先应滤掉输入语音信号的噪音并进行预加重处理，提升高频分量，然后线性预测系数等方法进行频谱分析，找出语音的特征参数作为未知模式，与预先存储的标准模式进行比较，当输入的未知模式与标准模式的特征一致时，ARM便识别输入的语音信号并输出结果。

3 系统软件设计

系统软件主要包括：数据采集模块、SCI通讯模块、特定声源定位算法模块和避障软件模块。系统软件总体流程图如图6所示。

3.1 特定声源定位算法设计

系统的声源定位算法主要基于传声器阵列时延估计法，利用A/D采样模块检测不同拾音器所接收到的声音信号，算法实现采用广义互相关法。ARM采样得到的波形 接近为正弦波，将对应采样得到的值放入数组中保存，首先进行相关运算，得出互相关谱。为避免误差和杂音的干扰，进行多次计算去除了误差较大的值。其算法流 程图如图7所示。

同时，为避免垃圾桶对接收到的任何声音都进行定位，系统在定位时加入了语音识别，即只对需要的声音进行方位判断，对特定声音进行语音识别的流程框图如图8所示。

3.2 避障软件设计

避障软件模块采用对ARM的GPIO口查询方法。在垃圾桶加电后，主函数中一直查询GPIO，某一路的GPIO出现低电平时，进入相应的子函数，执行相应的 控制动作。3个红外传感器同时工作，发射红外信号。任何一个红外接收装置接收到反射的红外信号进入相应的子函数执行控制电机转动。红外避障流程如图9所示。

4 结束语

设计的智能垃圾桶"听"到主人的呼喊后能自动到达主人身边，并且能识别主人的声音进行一系列动作，经试验证明该设计能够满足使用要求。