基于声纹识别的智能控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电传控制的智能程序控制技术，具体为一种用于装载机的智能声纹识别及控制信号分配的装置。
【背景技术】
[0002]装载机是工程机械领域的主力军，广泛应用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工，主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进行轻度铲掘作业。传统装载机采用软轴或液压先导的方式手动控制工作装置，全凭操作者的经验判断动臂的位置和铲斗的角度，这种控制方式控制精度低、能耗高、维护难度大，并且无法应用装载机内外部信息进行智能分析和处理。
[0003]集成电控系统将直接驱动阀、计算机、自动控制等高新技术充分结合，取消装载机原有系统中:操纵手柄与作业装置之间以及方向盘与转向轮之间机械(或液压)的联系，使装载机的作业装置以及转向机构灵敏度可以根据实际工况进行调节、为驾驶员提供舒适的感受，从而提高作业效率，降低操作人员的劳动强度，简化装配过程，同时使装载机的遥控驾驶和声纹识别控制成为可能。基于声纹的识别和控制方法是实现装载机智能控制的关键技术，充分利用了智能装载机的计算处理模块对声纹信号进行识别和转换，以实现声纹信号对装载机的智能控制。并且，目前国内还没有能够应用声纹识别信号进行装载机程序控制的方法，所以在这方面理论和技术还很薄弱，需要进一步深入研究。声纹识别控制系统是在程序控制基础上加入了音乐控制系统，计算机通过对音频信号的识别、控制信号转换，最终将控制信号分配给各控制对象，使得各控制对象运动与音乐协调同步，带给人视觉上的享受。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于声纹识别的智能装载机控制装置。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括音频采集器、波形识别器、低通滤波器、限幅器、计数器、波形转换装置、信号极性反转装置、比较装置和角度传感器。
[0006]所述的音频采集器采集音频信号，输出至波形识别器进行波形识别，识别出的波形信号经低通滤波器和限幅器进行幅值和频率特征提取，转换为方波信号，计数器在方波信号的每个上升沿计数一次，根据计数器的计数值将方波信号依次分配到动臂、铲斗、转向三个控制通道，波形转换装置分别将输入三个控制通道的方波信号转换为正弦信号，正弦信号通过信号极性反转装置输出，进而控制动臂、铲斗和转向轴运动，控制动臂、铲斗和转向轴上分别安装有角度传感器，角度传感器采集动臂、铲斗和转向轴的运动状态，当运动状态超过运动范围限制时，信号极性反转装置工作，正弦信号的极性反转后输出控制控制动臂、铲斗和转向轴运动。
[0007]本发明的有益效果是:对采集到的声纹信号进行处理，控制装载机的动臂、铲斗和转向进行复合操作，实现了对装载机的智能程序控制。
【附图说明】
[0008]图1是首频彳目号转换和识别的不意图；
[0009]图2是控制信号的生成和处理框图；
[0010]图3是原始信号处理结果示意图；
[0011]图4是信号分配逻辑框图；
[0012]图5是信号分配结果示意图；
[0013]图6是信号转换逻辑方案示意图；
[0014]图7是信号转换结果示意图；
[0015]图8是极性转换逻辑框图；
[0016]图9是动臂输入-输出对比示意图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的技术方案为一种基于声纹识别的智能装载机程序控制装置，包括声纹信号的采集、识别、转换和转换控制信号的多通道分配，以及控制信号输入的极性转换设计，具体包括音频采集器、波形识别器、低通滤波器、限幅器、计数器、波形转换装置、信号极性反转装置、比较装置和角度传感器。所述的音频采集器采集音频信号，输出至波形识别器进行波形识别，识别出的波形信号经低通滤波器和限幅器进行幅值和频率特征提取，转换为方波信号，计数器在方波信号的每个上升沿计数一次，根据计数器的计数值将方波信号依次分配到动臂、铲斗、转向三个控制通道，波形转换装置分别将输入三个控制通道的方波信号转换为正弦信号，正弦信号通过信号极性反转装置输出，进而控制动臂、铲斗和转向轴运动，控制动臂、铲斗和转向轴上分别安装有角度传感器，角度传感器采集动臂、铲斗和转向轴的运动状态，当运动状态超过运动范围限制时，信号极性反转装置工作，正弦信号的极性反转后输出控制控制动臂、铲斗和转向轴运动。
[0018]本发明工作时包括以下步骤:
[0019](1)对采集到的音频信号进行波形识别和可视化处理，设计人员可以在事先播放音乐的同时，根据试听感受和音乐的波形特征、节拍等要素，构思控制机构的运动效果；
[0020](2)将识别出的波形信号经低通滤波、幅值门限操作，进行声音信号幅值和频率特征提取，转换为方波信号进行输出；
[0021](3)输入的方波信号每次上升沿计数一次，这里按先后顺序依次将方波分配到动臂、铲斗、转向三个控制通道。具体分配方法:按计数器结果对3的余数η分配，η = 1时方波分配到1通道，η = 2时方波分配到2通道，η = 0时方波分配到3通道；
[0022](4)将输入每个控制通道的方波信号转换为正弦信号；
[0023](5)根据装载机三个控制通道控制对象的运动状态反馈与控制对象的运动范围限制的比较，对各通道的输入信号进行极性的转换设计，以使控制对象运动超过限制时反转控制信号极性，从而让运动反向。
[0024]下面结合附图和实施例对本发明的工作过程进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例，步骤如下:
[0025](1)对采集到的音频信号进行波形识别和可视化处理，设计人员可以在事先播放音乐的同时，根据试听感受和音乐的波形特征、节拍等要素，构思控制机构的运动效果。【具体实施方式】如下:
[0026]将选取的音频文件采用多媒体格式转换软件转换为波形文件格式(wav)。以《卡门序曲》为例，得到波形文件的显示如图1所示。
[0027](2)将识别出的波形信号经低通滤波、幅值门限操作，进行声音信号幅值和频率特征提取，转换为方波信号进行输出。具体实施步骤如下:
[0028]信号处理在simulink软件下完成，实施框图如图2所示，该模块的作用是从原始音频信号提取特征信号，转换为方波信号。具体步骤如下:
[0029]1)将音频文件装入From Wave File模块；
[0030]2)由于音频文件为双声道模式，通过通道选择模块提取原始音频的左声道作为控制输入；
[0031]3)根据具体音频信号选取滤波门限，此处选取0.45 ;
[0032]4)虚线框中部分将原始信号转换为持续时间为0.2s的方波信号。
[0033]信号处理结果如图3所示。
[0034](3)输入的方波信号每次上升沿计数一次，这里按先后顺序依次将方波分配到三个控制通道。具体分配方法:按计数器结果对3的余数η分配，η = 1时方波分配到1通道，η = 2时方波分配到2通道，η = 0时方波分配到3通道。具体实施方案如图4所示:
[0035]最终分配结果如图5所示。
[0036](4)将输入每个控制通道的方波信号转换为正弦信号。具体实施方案如图6 (a)所示，其中模块signal_transfer中模块如图6(b)所示。
[0037]该模块将峰值时间为t的方波转换为周期为T = 2t的正弦波，得到的信号转换结果如图7所示。
[0038](5)根据装载机三个控制通道控制对象的运动状态反馈与控制对象的运动范围限制的比较，对各通道的输入信号进行极性的转换设计，以使控制对象运动超过限制时反转控制信号极性，从而让运动反向。具体实施方案如图8所示。
[0039]由于装载机动臂和铲斗采用速率控制，需要在作动器达到极偏时使指令反向，极偏的转换模块设计如图8所示。以动臂为例，图中虚线框内为极性转换逻辑方案，设[_k，h]为动臂的运动范围，模块的输入为动臂的位置反馈当前值dz和上拍值dzO，输出为对指令的极性控制X，取1或-1。当dz < _k且dzO彡_k时，x = -1 ;当dz彡h且dzO < h时，x=1 ;当-k彡dz彡h且-k彡dzO彡h时，x保持上拍值。得到动臂控制律输入与输出的对比结果如图9所示。
【主权项】
1.一种基于声纹识别的智能控制装置，包括音频采集器、波形识别器、低通滤波器、限幅器、计数器、波形转换装置、信号极性反转装置、比较装置和角度传感器，其特征在于:所述的音频采集器采集音频信号，输出至波形识别器进行波形识别，识别出的波形信号经低通滤波器和限幅器进行幅值和频率特征提取，转换为方波信号，计数器在方波信号的每个上升沿计数一次，根据计数器的计数值将方波信号依次分配到动臂、铲斗、转向三个控制通道，波形转换装置分别将输入三个控制通道的方波信号转换为正弦信号，正弦信号通过信号极性反转装置输出，进而控制动臂、铲斗和转向轴运动，控制动臂、铲斗和转向轴上分别安装有角度传感器，角度传感器采集动臂、铲斗和转向轴的运动状态，当运动状态超过运动范围限制时，信号极性反转装置工作，正弦信号的极性反转后输出控制控制动臂、铲斗和转向轴运动。
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于声纹识别的智能控制装置，音频采集器采集音频信号，由波形识别器识别出的波形信号经低通滤波器和限幅器转换为方波信号，计数器在方波信号的每个上升沿计数一次，将方波信号依次分配到动臂、铲斗、转向三个控制通道，波形转换装置分别将输入三个控制通道的方波信号转换为正弦信号，控制动臂、铲斗和转向轴运动，控制动臂、铲斗和转向轴上分别安装有角度传感器采集运动状态，当运动状态超过运动范围限制时，信号极性反转装置工作，正弦信号的极性反转后输出控制控制动臂、铲斗和转向轴运动。本实用新型对采集到的声纹信号进行处理，控制装载机的动臂、铲斗和转向进行复合操作，实现了对装载机的智能程序控制。
【IPC分类】E02F9/20
【公开号】CN205012395
【申请号】CN201520656882
【发明人】宋科璞, 王东辉, 田一松, 李国玉, 刘宏明, 夏立群, 解庄, 花韬, 贺琛, 杨远超, 王熙, 行登海
【申请人】中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所, 厦门厦工机械股份有限公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年8月27日