ZE SZ Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IE J Seria: E L E K T R Y K A z. 170
1999 N r kol. 1426
K rzy szto f K R Y K O W SK I M aciej SA JK O W SK I
KONCEPCJA STEROWANIA GŁOSEM URZĄDZEŃ ELEKTROMECHANICZNYCH
Streszczenie. W artykule przedstaw iono o g ó ln ą koncepcję sterow ania urządzeń elektro
m echanicznych głosem n a przykładzie sterow ania elektrycznym w ózkiem inw alidzkim . Za
prezentow ano strukturę b lo k o w ą układu sterow ania oraz om ów iono podstaw ow e zadania po
szczególnych m odułów . W artykule zam ieszczono w yłoniony w trakcie badań sym ulacyjnych zestaw poleceń w postaci słów izolow anych oraz w yniki sym ulacji to ru ruchu p ojazdu stero
w anego za p o m o c ą ty ch poleceń.
C O N C EPTIO N OF V O ICE CO N TRO L OF ELEC TR O M EC H A N IC A L DEVICES
S u m m a ry . T he paper presents general idea o f electrom echanical device voice control. A n electric w heelchair drive control system is show n as an exam ple. B lock structure o f the con
trol system is d escribed and tasks o f every m odule are considered. A lso, com m and set for voice control system , obtained through sim ulation research and som e sim ulation results o f path o f the electric vehicle (f.eg. electric w heelchair), guided by voice com m ands are presen ted.
1. W ST ĘP
W now oczesnych układach napędow ych pojazdów przeznaczonych dla o sób niepełno
spraw nych, tak ich ja k na przykład w ózki inw alidzkie, stosuje się silniki elektryczne o m ocy nie przekraczającej kilkuset w atów . Z e w zględu n a prostotę układu sterow ania pow szechnie stosuje się układy o niezależnym sterow aniu każdego z napędzanych kół. W tego ty p u roz
w iązaniach m ożliw ość m anew row ania uzyskuje się poprzez różnicę prędkości każdego z dw óch kół. D otychczas stosow ane układy napędow e oparte na silnikach p rąd u stałego z ko
m utatorem m echanicznym nie zapew niają w ysokiej niezaw odności, jakiej w ym aga się od układu napędow ego w ózka inw alidzkiego. W napędach tego ty p u istnieje duże ryzyko w ystą
pienia aw arii w obrębie kom utatora, gdyż zaw iera on elem enty m echaniczne ulegające zuży
ciu w trakcie eksploatacji. P onadto istnieje m ożliw ość uszkodzenia kom utatora w przypadku przeciążenia. O becnie, ja k o napędy małej m ocy, coraz częściej stosuje się napędy oparte na silnikach w zbudzanych m agnesam i trw ałym i z kom utatorem elektronicznym .
W trakcie p rac nad now oczesnym napędem przekształtnikow ym m ałej m ocy, przeznaczo
nym do napędu i sterow ania w ózka inw alidzkiego, pow stała k o ncepcja p rzeprow adzenia cy
klu badań p o zw alających n a ocenę m ożliw ości aplikacji układu sterow ania głosem , ja k o n ad rzędnego u k ład u sterującego p ra c ą napędu.
2. ST R U K T U R A U K Ł A D U ST E R O W A N IA G Ł O SEM U R Z Ą D Z EN IA E L E K T R O M E C H A N IC Z N E G O
W ózek inw alidzki je s t przykładem urządzenia elektrom echanicznego. C elem prow adzo
nych badań je s t sprecyzow anie w ym agań staw ianych przez układ napędow y takiego urządze
nia w stosunku do nadrzędnego układu sterow ania.
N a rys 1. przedstaw iono schem at blokow y struktury system u sterow ania głosem urządze
nia elektrom echanicznego. Z asadniczym i elem entam i system u są:
blok przetw arzania i rozpoznaw ania sygnału mow y, m oduł pośredniczący,
- m ikroprocesorow y układ sterow ania elektrycznym napędem przekształtnikow ym małej m ocy.
Sygnał z m ikrofonu"
R y s .l. Schem at struktury układu sterow ania głosem urządzeniem elektrom echanicznym Fig. 1. D iagram o f the structure o f electrom echanical device voice control system
W rozw ażanym układzie napędow ym , zaw ierającym silniki z kom utatorem elektrońicz- nym w zbudzane m agnesam i trw ałym i, m ikroprocesorow y układ sterow ania realizuje nastę
pujące zadania:
- przetw orzenie w ejściow ych analogow ych sygnałów napięcia na postać cyfrow ą, - w ypracow anie sygnałów sterujących poszczególnym i silnikam i,
- generow anie sygnałów sterujących tranzystoram i kom utatora elektronicznego na podsta
w ie pom iaru aktualnego prądu pobieranego przez silnik, położenia w irnika oraz danych z m odułu zadaw ania prędkości i kierunku jazdy,
- określanie m aksym alnej w artości prądu płynącego przez silnik, a w przypadku przekro
czenia tej w artości w yłączenie w szystkich tranzystorów .
E lem entam i m ikroprocesorow ego układu sterow ania silnika bezkom utatorow ego są:
- m ikrokontroler j ednoukłado w y, - pam ięć zew nętrzna EPRO M , - układ pom iaru prąd u zasilającego,
- układ w yzw alania tranzystorów kom utatora elektronicznego.
O prócz pow yższych elem entów układu sterow ania, dodatkow o silnik m usi m ieć w budo
w any układ czujników położenia w irnika. N ajczęściej spotyka się czujniki hallotronow e.
P rzekształtnik energoelektroniczny pełniący rolę kom utatora elektronicznego m a struktu
rę trójfazow ego falow nika napięcia.
W układach tego typu stosuje się rów nież specjalizow ane scalone sterow niki silników bezkom utatorow ych. Sterow nik taki je s t z reguły w yposażony w łącze rów noległe lub szere
gow e albo p rzetw ornik cyfrow o-analogow y i za je g o pośrednictw em m oże w spółpracow ać z
K oncepcja sterow ania głosem . 145
m ikroprocesorow ym układem sterow ania. Zastosow anie scalonego specjalizow anego sterow nika znacznie upraszcza algorytm realizow any przez m ikroprocesor, zapew nia krytyczne dla działania u kładu czasy przełączeń tranzystorów bez angażow ania uk ład ó w czasow o- licznikow ych m ikroprocesora, które m o g ą być w ykorzystane do innych celów . D odatkow o scalone sterow niki silników bezkom utatorow ych m o g ą zaw ierać układy zabezpieczeń ter
m icznych i nadprądow ych ja k rów nież elem enty zam kniętego układu regulacji prędkości sil
nika. Stosow anie scalonego sterow nika m oże przyczynić się do podniesienia niezaw odności pracy układu napędow ego.
W przypadku stosow ania układu zadaw ania param etrów jazd y za pośrednictw em poleceń słow nych, identyfikow anych przez układ rozpoznaw ania m ow y, m ikroprocesorow y układ sterow ania realizuje dodatkow e zadania, gdyż inform acja o prędkości zadanej nie pojaw ia się w postaci ciągłego sygnału analogow ego pochodzącego np. z m anipulatora. D odatkow ym zadaniem układu sterow ania je s t w ięc w tym przypadku w ypracow anie ciągłego sygnału prędkości zadanej na podstaw ie prędkości aktualnej i rezultatu ro zpoznaw ania polecenia ope
ratora.
Z adaniem m odułu rozpoznaw ania m ow y je s t identyfikacja poleceń głosow ych w ydaw a
nych przez operatora. Jako w ynik rozpoznaw ania na w yjściu układu p o jaw iają się dyskretne sygnały sterujące p ra c ą napędu elektrycznego. Blok pośredniczący przetw arza sekw encje sygnałów na ciągłe sygnały zadaw ania prędkości dla obu silników .
3. D O B Ó R S Ł Ó W D L A U K Ł A D U ST E R O W A N IA G Ł O SE M P R A C Ą N A PĘ D U E L E K T R Y C Z N E G O
W trakcie prac w yłoniono zestaw poleceń w postaci słów izolow anych. Istotne było, aby polecenia były w ję z y k u polskim oraz aby m iały odpow iedniki w ję z y k u angielskim o podob
nych cechach charakterystycznych ( np. czas trw ania w ypow iedzi). W ażnym aspektem je st rów nież, aby poszczególne polecenia istotnie różniły się m iędzy so b ą p od w zględem fone
tycznym .
T ablica 1 Proponow ane polecenia sterow ania głosem dla ję z y k a polskiego i angielskiego
Faza ruchu pojazdu Polecenie w języku polskim Polecenie w języku angiel
skim
Przyspieszanie Szybciej Faster
Zwalnianie Wolniej Slower
Zatrzymanie Stop Stop
Skręt w prawo Prawo Right
Skręt w lewo Lewo Left
Wyrównanie prędkości obydwu
silników Prosto Stright ahead
Jazda do przodu Naprzód Forward
Jazda do tyłu Wstecz Reverse
W tablicy 1 przedstaw iono zestaw poleceń sterujących p ra c ą dw usilnikow ego napędu elektrycznego.
P rzeprow adzono badania sym ulacyjne, polegające na sterow aniu za pośrednictw em ze
staw u dyskretnych poleceń pojazdem napędzanym i kierow anym za p o m o c ą dw usilnikow ego napędu elektrycznego.
Z przeprow adzonych dośw iadczeń w y n ik ają następujące w nioski:
O program ow anie sym ulujące pracę procesora rozpoznaw ania m ow y w w iększości przy
p adków praw idłow o rozpoznaw ało podaw ane polecenia.
Z darzały się następujące typy błędów : słowo nie zostało rozpoznane, słow o zostało błęd
nie rozpoznane.
- W program ie istniała m ożliw ość regulacji w zm ocnienia m ikrofonu oraz pro g u praw dopo
dobieństw a praw idłow ego rozpoznania słowa.
- D obierając odpow iednio pow yższe w ielkości m ożna było zm niejszyć liczbę błędów . - Z w iększenie pro g u praw dopodobieństw a praw idłow ego rozpoznania słow a prow adziło do
zm niejszenia błędnie rozpoznanych słów , natom iast częściej pojaw iała się inform acja o braku identyfikacji słow a w ogóle.
- Z w iększenie w zm ocnienia w płynęło korzystnie n a rezultat rozpoznaw ania.
R ezultat rozpoznaw ania zależy w dużej m ierze od staranności w ypow iadania danego sło
w a i w ym aga pew nej koncentracji ze strony operatora.
M ożna tak dobrać próg praw dopodobieństw a (60 w skali od 0-100) i w zm ocnienie (50 w skali od 0 do 100) aby osiągnąć w y so k ą dokładność rozpoznaw ania (90% ).
- R ezultaty uzyskane za p o m o cą oprogram ow ania dla języ k a angielskiego m o g ą się różnić w istotny sposób dla słów języ k a polskiego, rozpoznaw anych przez elektroniczny układ rozpoznaw ania m ow y.
K orzystne je s t em itow anie różnych dźw ięków przez układ rozpoznaw ania m ow y w przy
padku praw idłow ego lub błędnego rezultatu rozpoznania.
4. B A D A N IA S Y M U L A C Y JN E ST E R O W A N IA U K Ł A D E M N A P Ę D O W Y M ZA P O M O C Ą D Y SK R E T N Y C H P O L E C E Ń SŁ O W N Y C H
N a potrzeby sym ulacji pracy dw usilnikow ego napędu elektrycznego sterow anego głosem opracow ano kom puterow y m odel kinem atyki napędu. D o budow y m odelu w ykorzystano oprogram ow anie D elphi 3.0, oparte na języ k u O bject Pascal. N a podstaw ie badań sym ula
cyjnych stw ierdzono, że na potrzeby sym ulacji działania dw usilnikow ego układu napędow e
go m ożliw e je s t przyjęcie uproszczonego m odelu pojedynczego silnika ja k o silnika prądu stałego z regulatorem prędkości typu PI, zrealizow anym przy w ykorzystaniu m odulacji dw u
biegunow ej. M odelow any układ pod w zględem podstaw ow ych w łaściw ości elektryczno- m echanicznych odpow iada napędow i opartem u na silnikach bezkom utatorow ych. Jako ele
m enty m odelu układ u napędow ego w ystępują m odele poszczególnych zespołów silnik- regu
lator. O bliczenia num eryczne s ą realizow ane z w ykorzystaniem algorytm u całkow ania rów nań różniczkow ych interpolacyjną m e to d ą Eulera z predykcją. O pracow any program um oż
liw ia obserw ację przebiegów prędkości i prądu dla poszczególnych silników oraz obserw ację toru ruchu pojazdu napędzanego m odelow anym napędem . Isto tn ą cech ą m o d elu je s t m ożli
w ość interaktyw nego sterow ania przebiegiem sym ulacji za p o m o cą dyskretnych poleceń wy
daw anych z klaw iatury lub za pośrednictw em kom puterow ego interfejsu rozpoznaw ania m o
w y (M icrosoft V oice). P rzykładow e w yniki sym ulacji przedstaw iono n a rys. 2.
K oncepcja sterow ania głosem. 147
Rys.2. P rzebiegi p rąd u oraz prędkości w układzie napędow ym oraz to r ru ch u p ojazdu stero
w anego dyskretnym i poleceniam i
Fig.2. W aveform s o f the drive system current and speed and path o f the vehicle controlled by discrete com m ands
5. P O D SU M O W A N IE
U zyskane w yniki p o zw alają stw ierdzić, że m ożliw e je s t sterow anie ciągłym i w ielkościa
mi, takim i ja k napięcie czy prędkość, poprzez dyskretne polecenia w ydaw ane przez operatora.
M ożliw e je s t uzyskanie pożądanego toru ruchu przez pojazd napędzany i kierow any dw usil
nikow ym napędem elektrycznym małej m ocy, poprzez sterow anie głosem przy zastosow aniu ograniczonego zestaw u poleceń. Z ebrane dośw iadczenia stanow ią punkt w y jścia do konstruk
cji prototypu laboratoryjnego układu sterow ania głosem w ózka inw alidzkiego.
L IT E R A T U R A
1. B asztura Cz: R ozm aw iać z kom puterem , W PN , W rocław 1992.
2. D em enko G.: A utom atyczna synteza i rozpoznaw anie m ow y. XI B eskidzkie sem inarium E lektryków B SE97 Istebna -Pietraszonka 1997.
3. K rykow ski K, B odora A. Sajkow ski M .: N ew m ethod o f tw o-m otor drive control applied in electric w heelchairs, Proc. O f the 8th International Pow er E lectronics and M otion C on
ference, P rague 1998.
4. K rykow ski K.: Projekt badaw czy K BN pt. Synteza i optym alizacja obw odów głów nych i sterow ania dw usilnikow ych napędów elektrycznych z silnikam i bezkom utatorow ym i przeznaczonych m iędzy innym i dla w ózków inw alidzkich. G liw ice 1999.
5. Sajkow ski M .: Projekt badaw czy K BN pt. A naliza m ożliw ości aplikacji układów stero
w ania głosem w napędach elektrycznych małej m ocy stosow anych m iędzy innym i w urządzeniach dla osób niepełnospraw nych. G liw ice 1999.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. W łodzim ierz Jabłoński
W płynęło do R edakcji 31 m aja 1999 r.
A bstract
A m o d em low -pow er electric drive system based on brushless D C m otors is considered in first part o f the paper. D uring research o f that type o f a drive system for electric w heel
chairs, investigations o f possibilities o f voice control unit application fo r m aster control have been started. T he general structure o f the electrom echanical device voice control is presented the in second p art o f the paper. T here are described tasks o f each elem ent o f the structure as well. The third part o f the paper includes the voice com m and set w orked out for control o f an electric w heelchair and conclusions from the voice control sim ulation research using softw are for recognition o f phrases in English. The sim plified num erical m odel o f the electrom echani
cal device voice control system and som e sim ulation results obtained by m eans o f the model are described in the fourth part o f the paper. The fifth part o f the paper is the sum m ary.
