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[摘 要]为了满足多任务作用下无人艇航向和航速的精确、简单、灵活操控，降低指挥人员的工作压力，提出了一种基于语音控制的小型无人艇设计方案.它以LD3320语音识别芯片和STC89C52RC单片机为控制核心，通过控制两个喷水推进器协同工作实现航向及航速的变化.经进一步的模型航行实验，总结了目前语音控制无人艇存在的主要问题，并对未来的研究方向进行了展望。
[关键词]水面无人艇；语音控制；STC89C52RC单片机；识别率
中图分类号：TU856 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0400-01
1 引言
水面无人艇（Unmanned Surface Vessel，简称USV）是一种在海洋环境下拥有自主航行能力，可以通過搭载不同的功能模块来完成相应任务的小型水面运动平台[1].水面无人艇工作时，不需要人参与到工程现场，航向控制是基于岸基或者基于母船的控制中心来实现的[2].如果遇到大风大浪以及有害物质泄漏等恶劣环境，水面无人艇便可以代替工作人员去完成相关作业.这在最大程度上保证了人员安全，降低了研究人员和施工人员的危险程度[3]。
然而事实上，大多数USV的作业和运动控制都是在团队的相互协作下完成的，一定程度上就造成了人力和资源的浪费.因此，设计制作一种低成本的小型水面无人艇语音控制系统，展开模型控制实验，不仅能够为先进运动控制算法提供可验证的实验操作平台，而且可以为研制更高性能的水面无人艇运动控制器打下坚实基础，具有深远的现实意义.本文提出了一种具有操纵性好、灵敏度高、能耗小等特点的小型水面无人艇语音操控系统，在不影响手动控制其它设备的前提下，最大化利用“嘴巴”这一人体器官，实现水面无人艇高效率的智能化控制。
2 硬件平台架构
该语音控制系统使用LD3320语音识别芯片[4]作为指令识别的核心部件，以STC89C52RC单片机作为控制中心来实现对水面无人艇的运动控制.为了完善系统功能，还需扩展外部设备.因此，除了LD3320语音识别芯片和STC89C52RC单片机两大核心模块，另外需要使用2.4G无线麦克风、L298N电机驱动模块、国产370高扭矩直流电机（额定电压为7.4V）与无拉杆喷水舵机共同完成系统硬件的构建。
LD3320是一款语音识别专用芯片，可实现非特定人的语音识别[5]，它内置有非特定人语音识别算法，而且语音识别的关键词可以任意动态编辑，识别结果能以下面两种方式给出：①外部送入一定时间（如1秒钟）的语音数据后，识别芯片对这些语音数据特征提取和运算分析并给出识别结果；②外部送入语音数据之后，识别芯片可通过端点检测技术判断出发令员停止说话，把发令员说话开始到停止期间的数据进行分析后，给出识别结果.为了保证水面无人艇变速和改向的实时行和控制灵敏度，我们采用了后者.LD3320语音识别芯片的工作流程如下：
电机选用370高扭矩直流电机，负载最大电流6A，最大转速每分钟430000转.两个电机与喷水舵机共同组成推进系统，通过调节喷水速率差，实现水面无人艇的运动控制.电机调速方面采用的是脉宽调制（PWM）直流调速技术[6]，配合桥式驱动电路L298N可实现直流电机大范围调速。
3 语音控制方法设计
系统正常工作时，语音信号被麦克风接收、解析后传送到语音芯片内部（已经放置好关键词列表），收集到的语音信息与原先放好的关键词进行识别、匹配和对比，得到一个最优的结果，从而通过串口发送信号给单片机；接收器接收后，通过解调还原出发来的信息，控制水面无人艇上有关航向航速的功能转换，从而来实现航向及航速的控制。
程序的编写、下载及调试是通过软件Keil-μVision4来完成的，根据设计要求，将语音识别模块、直流电机驱动模块、STC89C52RC单片机[7]等器材连接在一起，并进行不断的调试和完善完成了语音控制设计.水面无人艇的指令包括前进、加速、减速、左舵、右舵、停止六种.结合PWM技术相关原理，相应指令下对应的左、右电机电压值（U0为电机工作时的额定电压）。
4 模型控制测试
为了验证语音控制水面无人艇的可行性和实用性，在两种不同噪声环境下对无人艇模型进行了岸基控制测试。
根据不同地点语音控制的实验测试结果可知，即使在湖边这样的嘈杂环境下，语音控制系统仍能保持90%以上的应答准确性.因此，通过实验次数和控制熟练程度的提高，指挥人员便可进一步安全、准确的控制无人艇航行，具有一定的实用价值。
5 结论及展望
本文旨在研究无人船语音控制系统的可行性，而最终的结果表明，语音控制突破了传统控制方式的局限性，极大地简化了控制过程，提高了控制效率，是一种比较自由、灵活、智能的控制方式.对于后期研究阶段，为了进一步提高语音控制的安全性和实用性，可以结合深度学习理论，通过数学建模，综合分析以下因素对控制灵敏度的影响：①不同指令下航行速度对无人艇安全的影响；②主要语音指令的内容与频率特征对识别率的影响；③外界杂音干扰的影响；④指令的清晰程度影响等.
参考文献
[1] 葛增鲁.无人艇航向运动控制器的设计与实现[D].大连海事大学，2016年3月第1页.
[2] 陈丽丽，王玉龙.网络环境下无人水面艇航向控制器设计[J].舰船科学技术， 2017年2月，第39卷第2期：第125页.
[3] 田勇.水面无人艇运动控制系统设计与实现[D].大连海事大学，2016年1月，第1页.
[4] 蒋冬清，王一舒. LD3320语音芯片与单片机的通讯分析[J].科技创新与应用， 2016年 第3期：第75页.
[5] 杜希栋，王志伟等.基于LD3320的非特定语音控制小车设计[J].信息技术，2015年 第1期：第53-55页.
[6] 宫晓明.基于51单片机的直流电机PWM调速系统[J].科学家，2016年 第16期：第151-180页.
[7] 叶林勇.基于STC89C52RC单片机间的串口通信程序设计[J].科技创新与应用，2013年第30期：第62-63页.
作者简介：
王博士（1995-），男，河南省商丘市人，民？族：汉？职称：无，学历：本科在读。研究方向：航海技术专业。
[关键词]水面无人艇；语音控制；STC89C52RC单片机；识别率
中图分类号：TU856 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0400-01
1 引言
水面无人艇（Unmanned Surface Vessel，简称USV）是一种在海洋环境下拥有自主航行能力，可以通過搭载不同的功能模块来完成相应任务的小型水面运动平台[1].水面无人艇工作时，不需要人参与到工程现场，航向控制是基于岸基或者基于母船的控制中心来实现的[2].如果遇到大风大浪以及有害物质泄漏等恶劣环境，水面无人艇便可以代替工作人员去完成相关作业.这在最大程度上保证了人员安全，降低了研究人员和施工人员的危险程度[3]。
然而事实上，大多数USV的作业和运动控制都是在团队的相互协作下完成的，一定程度上就造成了人力和资源的浪费.因此，设计制作一种低成本的小型水面无人艇语音控制系统，展开模型控制实验，不仅能够为先进运动控制算法提供可验证的实验操作平台，而且可以为研制更高性能的水面无人艇运动控制器打下坚实基础，具有深远的现实意义.本文提出了一种具有操纵性好、灵敏度高、能耗小等特点的小型水面无人艇语音操控系统，在不影响手动控制其它设备的前提下，最大化利用“嘴巴”这一人体器官，实现水面无人艇高效率的智能化控制。
2 硬件平台架构
该语音控制系统使用LD3320语音识别芯片[4]作为指令识别的核心部件，以STC89C52RC单片机作为控制中心来实现对水面无人艇的运动控制.为了完善系统功能，还需扩展外部设备.因此，除了LD3320语音识别芯片和STC89C52RC单片机两大核心模块，另外需要使用2.4G无线麦克风、L298N电机驱动模块、国产370高扭矩直流电机（额定电压为7.4V）与无拉杆喷水舵机共同完成系统硬件的构建。
LD3320是一款语音识别专用芯片，可实现非特定人的语音识别[5]，它内置有非特定人语音识别算法，而且语音识别的关键词可以任意动态编辑，识别结果能以下面两种方式给出：①外部送入一定时间（如1秒钟）的语音数据后，识别芯片对这些语音数据特征提取和运算分析并给出识别结果；②外部送入语音数据之后，识别芯片可通过端点检测技术判断出发令员停止说话，把发令员说话开始到停止期间的数据进行分析后，给出识别结果.为了保证水面无人艇变速和改向的实时行和控制灵敏度，我们采用了后者.LD3320语音识别芯片的工作流程如下：
电机选用370高扭矩直流电机，负载最大电流6A，最大转速每分钟430000转.两个电机与喷水舵机共同组成推进系统，通过调节喷水速率差，实现水面无人艇的运动控制.电机调速方面采用的是脉宽调制（PWM）直流调速技术[6]，配合桥式驱动电路L298N可实现直流电机大范围调速。
3 语音控制方法设计
系统正常工作时，语音信号被麦克风接收、解析后传送到语音芯片内部（已经放置好关键词列表），收集到的语音信息与原先放好的关键词进行识别、匹配和对比，得到一个最优的结果，从而通过串口发送信号给单片机；接收器接收后，通过解调还原出发来的信息，控制水面无人艇上有关航向航速的功能转换，从而来实现航向及航速的控制。
程序的编写、下载及调试是通过软件Keil-μVision4来完成的，根据设计要求，将语音识别模块、直流电机驱动模块、STC89C52RC单片机[7]等器材连接在一起，并进行不断的调试和完善完成了语音控制设计.水面无人艇的指令包括前进、加速、减速、左舵、右舵、停止六种.结合PWM技术相关原理，相应指令下对应的左、右电机电压值（U0为电机工作时的额定电压）。
4 模型控制测试
为了验证语音控制水面无人艇的可行性和实用性，在两种不同噪声环境下对无人艇模型进行了岸基控制测试。
根据不同地点语音控制的实验测试结果可知，即使在湖边这样的嘈杂环境下，语音控制系统仍能保持90%以上的应答准确性.因此，通过实验次数和控制熟练程度的提高，指挥人员便可进一步安全、准确的控制无人艇航行，具有一定的实用价值。
5 结论及展望
本文旨在研究无人船语音控制系统的可行性，而最终的结果表明，语音控制突破了传统控制方式的局限性，极大地简化了控制过程，提高了控制效率，是一种比较自由、灵活、智能的控制方式.对于后期研究阶段，为了进一步提高语音控制的安全性和实用性，可以结合深度学习理论，通过数学建模，综合分析以下因素对控制灵敏度的影响：①不同指令下航行速度对无人艇安全的影响；②主要语音指令的内容与频率特征对识别率的影响；③外界杂音干扰的影响；④指令的清晰程度影响等.
参考文献
[1] 葛增鲁.无人艇航向运动控制器的设计与实现[D].大连海事大学，2016年3月第1页.
[2] 陈丽丽，王玉龙.网络环境下无人水面艇航向控制器设计[J].舰船科学技术， 2017年2月，第39卷第2期：第125页.
[3] 田勇.水面无人艇运动控制系统设计与实现[D].大连海事大学，2016年1月，第1页.
[4] 蒋冬清，王一舒. LD3320语音芯片与单片机的通讯分析[J].科技创新与应用， 2016年 第3期：第75页.
[5] 杜希栋，王志伟等.基于LD3320的非特定语音控制小车设计[J].信息技术，2015年 第1期：第53-55页.
[6] 宫晓明.基于51单片机的直流电机PWM调速系统[J].科学家，2016年 第16期：第151-180页.
[7] 叶林勇.基于STC89C52RC单片机间的串口通信程序设计[J].科技创新与应用，2013年第30期：第62-63页.
作者简介：
王博士（1995-），男，河南省商丘市人，民？族：汉？职称：无，学历：本科在读。研究方向：航海技术专业。