语音识别机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种语音识别机器人。

背景技术：

信息时代，科学技术的飞速发展带动人工智能化技术的更新进步。机器人的应用领域和范围也越来越广泛，在生产、建筑、旅游等各个行业都能够看到人工智能机器人的身影。将语音识别技术应用在智能语音机器人中，就会形成语音识别机器人，一般语音识别机器人的设计开发主要着眼于“能听会说”，力图利用语音识别和语音合成等技术，将模拟的听说能力赋予机器人并生动地展示给听众，对系统的稳定性和抗噪性能有较高的要求。传统语音识别机器人的供电部分使用的元器件较多，电路结构复杂，硬件成本较高，不方便维护。另外，由于传统语音识别机器人的供电部分缺少相应的电路保护功能，例如：限流保护功能和防止信号干扰功能，造成电路的安全性和可靠性较差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电路结构较为简单、成本较低、方便维护、电路的安全性和可靠性较高的语音识别机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种语音识别机器人，包括单片机、麦克风阵列、语音处理模块、运动控制模块、状态采集模块、无线通信模块和电源模块，所述麦克风阵列采集语音信息并将采集的语音信息发送给所述语音处理模块，所述语音处理模块对所述采集的语音信息进行处理并将处理后的语音信息发送给所述单片机，所述单片机根据所述处理后的语音信息控制所述运动控制模块执行相应的操作；

所述语音处理模块包括信号调理模块和麦克风阵列数据处理模块，所述信号调理模块分别与所述麦克风阵列和麦克风阵列数据处理模块连接、用于在接收到所述采集的语音信息后，对其进行第一处理，并将第一处理后的语音信号发送给所述麦克风阵列数据处理模块；所述麦克风阵列数据处理模块在接收到所述第一处理后的语音信号后，对其进行第二处理，并将第二处理后的语音信息发送给所述单片机；

所述状态采集模块与所述单片机连接、用于采集所述语音识别机器人的状态信息，并将所述状态信息发送给所述单片机；所述状态采集模块包括均与所述单片机连接的温度传感器、光敏传感器、加速度传感器、红外传感器和触摸传感器；

所述无线通信模块与所述单片机连接、用于实现与云端服务器的无线通信，所述电源模块与所述单片机连接、用于向所述单片机供电；

所述电源模块包括第一二极管、第一mos管、第一三极管、第七电阻、第一电阻、第二三极管、第三二极管、第二二极管、第四电容、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第四电阻、电压比较器、第五电阻、第三电容、dc/dc转换芯片、第四二极管、充电芯片、第六电阻、第三三极管和电池，所述第一mos管的源极分别与所述第一二极管的阴极和第七电阻的一端连接，所述第一mos管的漏极分别与所述第一二极管的阳极、第一电阻的一端和第二三极管的基极连接，所述第一mos管的栅极与所述第一三极管的集电极连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第七电阻的另一端分别与所述第一电阻的另一端和第二三极管的发射极连接，所述第二三极管的集电极分别与所述第二二极管的阳极、第四电容的一端和第三二极管的阳极连接，所述第三二极管的阴极与所述第三三极管的基极连接，所述第四电容的另一端分别与所述第三三极管的发射极和电池的负极连接；

所述第二二极管的阴极分别与所述第二电阻的一端、第一电容的一端和电压比较器的同相输入端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端和第一电容的另一端均接地，所述电压比较器的反相输入端分别与所述第二电容的一端、第四电阻的一端、电压比较器的电源引脚和第五电阻的一端连接，所述第二电容的另一端接地，所述第四电阻的另一端和电压比较器的接地引脚均接地，所述电压比较器的输出端分别与所述第一三极管的基极、第五电阻的另一端、第三三极管的基极、第三电容的一端和dc/dc转换芯片的第一引脚连接，所述第三电容的另一端接地，所述dc/dc转换芯片的第三引脚分别与所述第四二极管的阴极、第二三极管的发射极、充电芯片的第四引脚和第六电阻的一端连接，所述充电芯片的第六引脚分别与所述第六电阻的另一端和第三三极管的集电极连接，所述dc/dc转换芯片的第二引脚分别与所述第四二极管的阳极、充电芯片的第五引脚和电池的正极连接，所述第七电阻的阻值为36kω，所述第四电容的电容值为420pf。

在本发明所述的语音识别机器人中，所述电源模块还包括第八电阻，所述第八电阻的一端与所述第三三极管的基极连接，所述第八电阻的另一端与所述第五电阻的另一端连接，所述第八电阻的阻值为47kω。

在本发明所述的语音识别机器人中，所述电源模块还包括第五二极管，所述第五二极管的阳极与所述电压比较器的输出端连接，所述第五二极管的阴极与所述第一三极管的基极连接，所述第五二极管的型号为e-452。

在本发明所述的语音识别机器人中，所述电源模块还包括第五电容，所述第五电容的一端与所述第一mos管的栅极连接，所述第五电容的另一端与所述第一三极管的集电极连接，所述第五电容的电容值为320pf。

在本发明所述的语音识别机器人中，所述第一mos管为p沟道mos管，所述第一三极管和第三三极管均为npn型三极管，所述第二三极管为pnp型三极管。

在本发明所述的语音识别机器人中，所述无线通信模块为蓝牙模块、wifi模块、gsm模块、gprs模块、cdma模块、cdma2000模块、wcdma模块、td-scdma模块、zigbee模块或lora模块。

实施本发明的语音识别机器人，具有以下有益效果：由于设有单片机、麦克风阵列、语音处理模块、运动控制模块、状态采集模块、无线通信模块和电源模块；电源模块包括第一二极管、第一mos管、第一三极管、第七电阻、第一电阻、第二三极管、第三二极管、第二二极管、第四电容、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第四电阻、电压比较器、第五电阻、第三电容、dc/dc转换芯片、第四二极管、充电芯片、第六电阻、第三三极管和电池，该电源模块相对于传统语音识别机器人的供电部分，其使用的元器件较少，由于节省了一些元器件，这样可以降低硬件成本，另外，第七电阻用于对第一mos管的源极电流进行限流保护，第四电容用于防止第二三极管与第三三极管之间的干扰，因此电路结构较为简单、成本较低、方便维护、电路的安全性和可靠性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明语音识别机器人一个实施例中的结构示意图；

图2为所述实施例中电源模块的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明语音识别机器人实施例中，该语音识别机器人的结构示意图如图1所示。图1中，该语音识别机器人包括包括单片机1、麦克风阵列2、语音处理模块3、运动控制模块4、状态采集模块5、无线通信模块6和电源模块7，其中，麦克风阵列2采集语音信息并将采集的语音信息发送给语音处理模块3，语音处理模块3对采集的语音信息进行处理并将处理后的语音信息发送给单片机1，单片机1根据处理后的语音信息控制运动控制模块4执行相应的操作。

单片机1采用现有技术中能够实现其功能的任意结构。麦克风阵列2具有对远场噪声很强的抑制作用，在噪声环境中具有良好的信号采集性。麦克风阵列2包括按照一定距离排列放置的一组麦克风，通过声波抵达阵列中每个麦克风之间的微小时差的相互作用，麦克风阵列2可以得到比单个麦克风更好的指向性。通过对麦克风信号的综合处理，麦克风阵列2可以组合成所要求的强指向性麦克风，形成被称为波束的指向特性。麦克风阵列2的波束可以经由电路或程序处理，使其指向声源方向加强音频采集效果，只接收说话人的声音的同时抑制环境中的噪声与干扰，麦克风的间距可以是70mm。通过麦克风阵列2实现语音信号的采集，通过语音处理模块3完成噪声的滤除与语音信号的增强，降低使用距离、环境噪声等限制因素对语音信号的影响，从而实现较好的语音识别。该语音识别机器人能够在较远距离和嘈杂环境中进行语音控制并且具有较好的识别率。

运动控制模块4包括电机驱动电路和电机(图中未示出)，电机驱动电路按照控制逻辑为电机提供相应的驱动功率，使运动控制模块4执行相应的移动。

语音处理模块3包括信号调理模块31和麦克风阵列数据处理模块32，信号调理模块31分别与麦克风阵列2和麦克风阵列数据处理模块32连接、用于在接收到麦克风阵列2采集的语音信息后，对该语音信息进行第一处理，并将第一处理后的语音信号发送给麦克风阵列数据处理模块32；麦克风阵列数据处理模块32在接收到第一处理后的语音信号后，对该第一处理后的语音信号进行第二处理，并将第二处理后的语音信息发送给单片机1，以使得单片机1在接收到该第二处理后的语音信息后，根据该第二处理后的语音信息控制运动控制模块4执行相应的操作。

信号调理模块31包括滤波电路和放大电路(图中未示出)，麦克风阵列数据处理模块32包括多通道ad采集、dsp数据处理和硬件中断触发。多个麦克风形成的阵列采集语音信号然后对每路信号进行硬件滤波和信号放大，该信号通过麦克风阵列数据处理模块32，在其中包含ad采集转换成数字信号，然后进行算法数据处理，最终的信号传送到单片机1。麦克风阵列数据处理模块32的型号可以为xfm10211。

本实施例中，状态采集模块5与单片机1连接、用于采集该语音识别机器人的状态信息，并将采集的状态信息发送给单片机1；状态采集模块5可以对该语音识别机器人所在环境和一些交互信息进行检测，加强其智能性，增强其可玩性，为其娱乐功能服务。

本实施例中，状态采集模块5包括温度传感器51、光敏传感器52、加速度传感器53、红外传感器54和触摸传感器55，温度传感器51、光敏传感器52、加速度传感器53、红外传感器54和触摸传感器55均与单片机1连接。温度传感器51可以采用采集室温，光敏传感器52通过光敏器件获得光线的变化数据，获得光敏信号，经处理后发送给单片机1；加速度传感器53通过加速度芯片获得返回x、y、z三轴的加速度数值，经处理后发送至单片机1；红外传感器54可以采用红外线反射式传感器，利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方是否有障碍。在距离适中时测量精度很高。由于使用的是红外线，所以抗干扰能力很强，能有效避免机器人在运动过程中碰撞问题。

触摸传感器55通过触摸片获得触摸电容的变化数据，进而获得触摸信息，经处理后发送至单片机1，可以作为和用户互动的一种方式。

无线通信模块6与单片机1连接、用于实现与云端服务器的无线通信。无线通信模块6为蓝牙模块、wifi模块、gsm模块、gprs模块、cdma模块、cdma2000模块、wcdma模块、td-scdma模块、zigbee模块或lora模块。通过设置多种无线通信方式，不仅可以增加无线通信方式的灵活性，还能满足不同用户和不同场合的需求。尤其是采用lora模块时，其通信距离较远，且通信性能较为稳定，适用于对通信质量要求较高的场合。

电源模块7与单片机1连接、用于向单片机1供电，该电源模块7的电路原理图如图2所示。图2中，该电源模块7包括第一二极管d1、第一mos管m1、第一三极管q1、第七电阻r7、第一电阻r1、第二三极管q2、第三二极管d3、第二二极管d2、第四电容c4、第二电阻r2、第三电阻r3、第一电容c1、第二电容c2、第四电阻r4、电压比较器a、第五电阻r5、第三电容c3、dc/dc转换芯片u1、第四二极管d4、充电芯片u2、第六电阻r6、第三三极管q3和电池bat，第一mos管m1的源极分别与第一二极管d1的阴极和第七电阻r7的一端连接，第一mos管m1的漏极分别与第一二极管d1的阳极、第一电阻r1的一端和第二三极管q2的基极连接，第一mos管m1的栅极与第一三极管q1的集电极连接，第一三极管q1的发射极接地，第七电阻r7的另一端分别与第一电阻r1的另一端和第二三极管q2的发射极连接，第二三极管q2的集电极分别与第二二极管d2的阳极、第四电容c4的一端和第三二极管d3的阳极连接，第三二极管d3的阴极与第三三极管q3的基极连接，第四电容c4的另一端分别与第三三极管q3的发射极和电池bat的负极连接。

第二二极管d2的阴极分别与第二电阻r2的一端、第一电容c1的一端和电压比较器a的同相输入端连接，第二电阻r2的另一端与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端和第一电容c1的另一端均接地，电压比较器a的反相输入端分别与第二电容c2的一端、第四电阻r4的一端、电压比较器a的电源引脚和第五电阻r5的一端连接，第二电容c2的另一端接地，第四电阻r4的另一端和电压比较器a的接地引脚均接地，电压比较器a的输出端分别与第一三极管q1的基极、第五电阻r5的另一端、第三三极管q3的基极、第三电容c3的一端和dc/dc转换芯片u1的第一引脚连接，第三电容c3的另一端接地，dc/dc转换芯片u1的第三引脚分别与第四二极管d4的阴极、第二三极管q2的发射极、充电芯片u2的第四引脚和第六电阻r6的一端连接，充电芯片u2的第六引脚分别与第六电阻r6的另一端和第三三极管q3的集电极连接，dc/dc转换芯片u1的第二引脚分别与第四二极管d4的阳极、充电芯片u2的第五引脚和电池bat的正极连接。

该电源模块7相对于传统语音识别机器人的供电部分，其使用的元器件较少，电路结构较为简单，方便维护，由于节省了一些元器件，这样可以降低硬件成本。另外，第七电阻r7为限流电阻，用于对第一mos管m1的源极电流进行限流保护，第四电容c4用于防止第二三极管q2与第三三极管q3之间的干扰，因此电路的安全性和可靠性较高。值得一提的是，本实施例中，第七电阻r7的阻值为36kω，第四电容c4的电容值为420pf，当然，在实际应用中，第七电阻r7的阻值可以根据具体情况进行相应调整，第四电容c4的电容值可以根据具体情况进行相应调整，也就是说第七电阻r7的阻值和第四电容c4的电容值可以根据具体情况进行相应增大或减小。

本实施例中，第一mos管m1和第一三极管q1组成15v电源输入输出的开关电路，第一三极管q1为第一mos管m1的驱动电路。由第二三极管q2和第一电阻r1组成外部usb2侦测电路，由充电芯片u2、第三三极管q3和第六电阻r6组成电池bat的充电电路，由dc/dc转换芯片u1和第三电容c3组成5v电源产生电路，由电压比较器a、第二电容c2、第一电容c1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5组成负载电流监测电路，第三电阻r3是阻值很小的电流传感电阻，第二电阻r2与第一电容c1组成rc延时网络。

侦测电路分别通过第三二极管d3、第二二极管d2与充电电路、负载电流监测电路连接。第一mos管m1开或关总线电压vcc/5v+到usb接口的第一引脚；第一电阻r1和第二三极管q2组成外部usb侦测电路。

充电芯片u2的第六引脚高电平启动充电电路，低电平关断充电电路，第三二极管d和第三三极管q3组成6脚的驱动电路；dc/dc转换芯片u1和电池bat一起产生usb接口输出的5v电压，dc/dc转换芯片u1的第一引脚为高时启动dc/dc转换芯片u1产生5v电压，为低时关断5v电路。总线电压端vcc/5v+在电路中分时传输3个电压，一是电池bat和dc/dc转换芯片u1产生的5v供电电压(从第一引脚vout端输出)，二是连接外部usb后从外部usb进入的电压(经过第一二极管d1)；三是电池bat经过第四二极管d4的电压vcc，这个vcc提供usb接口侦测电路偏压。这三个电压不会同时出现在总线电压端vcc/5v+上。

输出电流检测电路由电压比较器a、第三电阻r3和由第二电阻r2、电第一电容c1组成的rc延时网络组成，电压比较器a的反相输入端加有一个小偏置电压，偏压由第四电阻r4设置，第五电阻r5是输出上拉电阻；没有负载电流时，电压比较器a的同相输入端电位低于反相输入端的电位，电压比较器a输出低电平；当负载电流达到一定值时，接到电压比较器a的同相输入端的电位高于电压比较器a的反相输入端的电位，电压比较器a输出高电平。电压比较器a的输出经过第三电容c3接到dc/dc转换芯片u1的第一引脚；同时使第一三极管q1开通或关断第一mos管m1，电压比较器a的输出还驱动第三三极管q3，控制充电芯片u2的第六引脚，第二二极管d2将usb侦测信号传到电压比较器a的同相输入端。

当usb接口没有与外部usb连接时,第二三极管q2关断，其集电极输出低电平，由于电阻第三电阻r3没有电流通过，地电位经第二电阻r2接到电压比较器a的同相输入端，电压比较器a输出低电平，第一三极管q1关断，第一mos管m1的栅极电压为高而关断，同时电压比较器a输出的低电平加到dc/dc转换芯片u1的第一引脚还关断5v输出，使第三三极管q3的集电极输出高电平到充电芯片u2的第六引脚，充电电路启动，但由于总线电压端vcc/5v电压低于电池bat的电压，电池bat并未发生充电现象。在上述状态，因为充电芯片u2电路关断，同时vcc/5v上的电压不会对电池放电，整个电路的耗电极小。

当连接外部usb到usb接口，将发生以下两种工作过程：

1、若外部usb是连接一个受电设备，连接到usb接口，吸收电流使第二三极管q2导通，集电极输出高电平，这个高电平就是外部usb要求供电的信号；这个高电平信号，第一时间经第三二极管d3使第三三极管q3关断充电电路，经第二二极管d2强迫电压比较器a输出高电平，电压比较器a输出的高电平，开通dc/dc转换芯片u1产生5v电压从第三引脚输出到总线电压端vcc/5v+，同时使第一三极管q1将第一mos管m1开通，将5v电压输出到外部usb；另一路经第三三极管q3到外部usb的第六引脚，保持ce置为低电平，充电电路关断；负载电流通过第三电阻r3产生压降，这个电压经过电阻第二电阻r2加到电压比较器a的同相输入端，只要负载通过一定的电流，电压比较器a就保持输出高电平。

在总线电压端vcc/5v+，此时电压是5v，第四二极管d4反偏截止，5v电压不会加到电池bat上。

当外部usb与usb接口断开后，负载电流消失，第二电阻r2上没有电流流过，电压比较器a的同相输入端的电位低于反相输入端的电位，电压比较器a输出低电平，这个低电平信号将电路恢复到外部usb接入前的状态。

2、若外部usb连接一个供电设备，外部usb加的5v电压经过第一二极管d1加到总线电压端vcc/5v+，充电芯片u2的第四引脚得到高于电池bat的电压，对电池bat进行充电。第一mos管m1p内部有一个反向二极管，加接的第一二极管d1是低压降的肖特基二极管，减小输入电压到充电电路输入端的压降。在这种状态，第二三极管q2不会导通，集电极输出低电平，同时充电电流在第二电阻r2上产生的压降使电压比较器a的同相输入端低于地电位，电压比较器a保持输出低电平，第一mos管m1和电压比较器a关断。

上述两种状态，无论外部usb连接的是受电设备还是供电设备，该电源模块7均可自动侦测出来，并且能自动切换或控制usb接口的供电输入输出状态。

本实施例中，第一mos管m1为p沟道mos管，第一三极管q1和第三三极管q3均为npn型三极管，第二三极管q2为pnp型三极管。当然，在实际应用中，第一mos管m1也可以为n沟道mos管，第一三极管q1和第三三极管q3也可以均为pnp型三极管，但这时电路的结构也要相应发生变化。

本实施例中，该电源模块7还包括第八电阻r8，第八电阻r8的一端与第三三极管q3的基极连接，第八电阻r8的另一端与第五电阻r5的另一端连接。第八电阻r8为限流电阻，用于进行限流保护，以进一步增强电路的安全性和可靠性。值得一提的是，本实施例中，第八电阻r8的阻值为47kω，当然，在实际应用中，第八电阻r8的阻值可以根据具体情况进行相应调整。

本实施例中，该电源模块7还包括第五二极管d5，第五二极管d5的阳极与电压比较器a的输出端连接，第五二极管d5的阴极与第一三极管q1的基极连接。第五二极管d5为限流二极管，用于对第一三极管q1的基极限流进行限流保护，以更进一步增强电路的安全性和可靠性。值得一提的是，本实施例中，第五二极管d5的型号为e-452，当然，在实际应用中，第五二极管d5也可以采用其他型号具有类似功能的二极管。

本实施例中，该电源模块7还包括第五电容c5，第五电容c5的一端与第一mos管m1的栅极连接，第五电容c5的另一端与第一三极管q1的集电极连接。第五电容c5为耦合电容，用于防止第一mos管m1与第一三极管q1之间的干扰。值得一提的是，本实施例中，第五电容c5的电容值为320pf，当然，在实际应用中，第五电容c5的电容值可以根据具体情况进行相应调整。

总之，本实施例中，该电源模块7相对于传统语音识别机器人的供电部分，其使用的元器件较少，电路结构较为简单，方便维护，由于节省了一些元器件，这样可以降低硬件成本。另外，该电源模块7中设有限流电阻和耦合电容，因此电路的安全性和可靠性较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。