武器聲控系統的設計與實現

2024年3月2日發(作者：乞丐頭像)

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第２７卷第２期　彈箭與制導學報　?２６ｌ　?　武器聲控系統的設計與實現　馬龍華，郝燕玲，上官偉，劉利強?。ü枮I工程大學自動化學院．哈爾濱　１５０００１）　［摘要］系統采用了語音端點檢測技術成功地檢測到操作員語音的起始點；并利用自動增益技術和動態時間　歸整技術對語音命令進行識別，成功地識別出操作員的武器控制命令。武器聲控控制系統采用了ＶｘＷｏｒｋｓ　嵌入式實時操作系統．保證了系統的響應速度。模擬仿真的結果表明武器聲控控制系統能夠大大減輕武器操　作的復雜程度，降低誤操作率。并極大地提高作戰效率。?。坳P鍵詞］聲控制；自動增益；端點檢測；動態時間規整；嵌人式實時操作系統?。壑袌D分類號］ＴＰ１８?。畚墨I標志碼］Ａ?。模澹螅椋纾睢。幔睿洹。遥澹幔欤椋幔簦椋铮睢。铮妗。樱穑澹澹悖琛悖铮睿簦颍铮臁。祝澹幔穑铮睢。樱螅簦澹怼。停痢。蹋铮睿纾瑁酰幔龋粒ǎ伲幔睿欤椋睿?，ＳＨＡＮＧ?。牵眨粒巍。祝澹椋蹋桑铡。蹋椤瘢椋幔睿纭。ǎ茫铮欤欤澹纾濉。铮妗。粒酰簦铮恚幔簦椋铮睿龋幔颍猓椋睢。牛睿纾椋睿澹澹颍椋睿纭。眨睿椋觯澹颍螅椋簦龋幔颍猓椋睢。保担埃埃埃保茫瑁椋睿幔。粒猓螅簦颍幔悖簦海牛睿洌穑铮椋睿簟。洌澹簦澹悖簦椋铮睢。簦澹悖瑁睿铮欤铮纾。鳎幔蟆。幔洌铮穑簦澹洹。螅酰悖悖澹螅螅妫酰欤欤。簦稀。妫椋睿洹。簦瑁濉。铮穑澹颍幔簦铮颉印。螅穑澹澹悖琛。澹睿洌穑铮椋睿簦粒妫簦澹颉。簦瑁幔簟。螅穑澹澹悖琛。穑幔螅蟆。簦瑁颍铮酰纾琛。洌睿幔恚椋恪。簦椋恚濉。鳎幔颍稹。恚铮洌酰欤濉＃簦瑁濉。螅螅簦澹怼。颍澹悖铮纾睿椋澹洹。铮穑澹颍幔簦铮颍В蟆。铮颍洌澹颉。螅酰悖悖澹螅螅妫酰欤欤希酰颉。铮穑澹颍幔簦濉。螅蟆。簦澹怼。鳎幔蟆。郑祝铮颍耄螅椋簟。鳎幔蟆。帷。澹恚猓澹洌洌澹洹。颍澹幔臁簦椋恚濉。螅螅簦澹恚幔睿洹。悖铮酰欤洹。颍澹螅穑铮睿洹。簦瑁濉。铮颍洌澹颉。椋睢。簦椋恚澹樱椋恚酰欤幔簦椋铮睢。椋睿洌椋悖幔簦澹洹。簦瑁幔簟。螅穑澹澹悖琛悖铮睿簦颍铮欤欤澹洹。鳎澹幔穑铮睢。螅螅簦澹怼。悖铮酰欤洹。洌澹悖颍澹幔螅濉。簦瑁濉。悖铮恚穑欤澹椋簦。幔睿洹。恚椋螅簦幔耄濉。铮妗。铮穑澹颍幔簦椋铮睿幔睿洹。椋恚穑颍铮觯濉。澹妫妫椋悖椋澹睿悖。耍澹。鳎铮颍洌螅海螅穑澹澹悖琛悖铮睿簦颍铮?；ａｕｔｏ?。纾幔椋?；ｅｎｄｐｏｉｎｔ?。洌澹簦澹悖簦椋铮睿唬洌睿幔恚椋恪。簦椋恚濉。鳎幔颍穑椋睿纾唬澹恚猓澹洌洌澹洹。颍澹幔臁簦椋恚濉。螅螅簦澹怼≡~條信號所對應的含義。數字化的語音信號首　１　引言　先要進行端點檢測，找出語音的開始點與結束　操作人員在作戰時操控武器系統的時候是　點。將這兩點之間的數據進行增益調整后進行　非常緊張的，很容易產生誤操作。導致嚴重的后　美爾刻度倒譜系數（ＭＦＣＣ）變換取得特征系數，　果。如果采用聲控控制這樣的問題就會得到大　并由動態時間規整模塊進行判別比較。輸出的　大緩解。另外武器控制系統的一個方面就是讓　結果作為第三部分的輸入。第三部分為系統的　用戶界面更加人性化，利用語音識別技術也是實　控制部分，它主要負責將命令傳遞給執行裝置和　現人性化的一個重要途徑。本設計就是針對這　識別結果的顯示?！》N情況展開研究?！。病∠到y框架　武器聲控控制系統由三部分組成，其系統框　圖如圖ｌ所示。第一部分為模／數轉換部分，主　要負責模擬與數字語音信號之間的轉換以及顯　示輸出。由于人類語音信號的主要頻率都在　圖１系統框圖?。矗耄龋韵?，并考慮到聲音采樣應該稍微大于Ｉ臨　界頻率，故選擇ｌＯｋＨｚ作為采樣頻率。第二部　３　相關算法　分為語音識別部分，是整個系統的核心，其作用?。常倍它c檢測的方法　是將輸入的數字語音詞條信號進行分析，識別出　語音和噪音信號的頻譜特征差異是很大的。?。崭澹牛炱冢海玻埃埃丁埃丁玻?；　修回Ｅｌ期：２００６一ｌＯ—Ｏ８　作者簡介：馬龍華（１９７６－－）．博士研究生，研究方向：導航制導與控制。　

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?　２６２　?　彈箭與制導學報　，０?。玻埃埃肪堋。迹荆硪唬保荨≡肼暤念l譜中各頻帶之間變化比較平緩，語音的　頻譜卻比較激烈，根據這一特點可以很明顯的區?。禧悺《玻ǎ搿。妫郏怼。保荩啤。辏恚保荨堋　埽荆恚荨》终Z音和噪聲。由此，計算某一幀信號的各個頻　帶能量的方差，將這種以短時頻帶能量方差作為　參數檢測語音段的起始點的方法叫做頻帶方差　檢測法。定義一個矢量如式（１）：　Ｘ一（?。ā。铮。ā。玻?，…，?。ā。。ǎ保∑渲械姆至俊。ā。┒x為中心頻率為　的濾波　器的輸出能量?？梢詫⒁粠盘柕模疲疲宰儞Q后　把幾個頻率分量組合得到頻帶能量矢量。由此可　以定義均值和方差如式（２）、（３）：?。薄。薄骸。乓弧隆保撸簦撸薄。荆骸。ā。。ǎ玻。ⅰ。薄。囊弧臁敝小。摺疲邸。ā。┮幻鳌。ǎ常z測門限一般?。鸵唬ǎ场矗摹。摹楸尘霸肼暋〉念l帶方差。當某一段及其以后數段的短時方差　都大于門限值Ｍ時判為起始點，當某一段以后　數段的短時方差都小于門限時判定為結束點。圖　２為漢語“發射一發射”語音信號，圖３為其對應　的頻帶方差，從仿真得到的圖中可以看出語音的　起始點可以用這種方法較好地檢測出來?！。　瘛。伞。椤。伞。裕颉。摺　。撸　瘛　瘛。。保啊D２　“發射一發射”圖３　“發射一發射”語　語音波形圖　音的頻帶方差圖?。常病∶罓柕棺V系數　美爾倒譜系數考慮了人耳的聽覺特性，將頻　譜轉化為基于美爾頻標的非線性頻譜，然后在轉　換到倒譜域上。由于充分考慮了人的聽覺特性，美　爾倒譜系數具有良好的識別特性和抗干擾能力?！≌Z音信號首先經過ＦＦＴ變換，轉換到頻率域：　ｌ?。。凼牵荩摺啤　保荩澹。埃迹恕埽巍。ǎ矗。钜唬啊《x包含Ｍ個三角濾波器的三角濾波器組?。取。郏耍荩ā∫唬?，２，…，Ｍ），第　個濾波器可以由　式（５）給出：　Ｈ?。邸。菀弧。丙悺《玻ǎ妫邸。恚悾保荩悾耄剑贰。荆恚荨堋　堋。怼。臁。啊。荆荆恚保荨∫部梢杂墒剑ǎ叮┙o出：?。龋骸。邸。菀弧?，　Ｏ?。嫁蹋硪唬保荨。辏薄。撸保荨堋。荨、椤。荨堋　堋。恚。荨。。铩。巨獭。保荨∵@里Ｈ：　［?。轁M足約束條件∑Ｈ?。邸。菀唬?，這兩　組濾波器的區別在于輸入同乘的系數不同，因此　對于相同的三角組濾波器處理的模板和輸人數　據來用于語音識別不會帶來什么不同。　這里ＳＥｍｉ定義如下，定義－廠Ｊ表示濾波器的　最低頻率；　表示濾波器的最高頻率，兩者的刻　度都為Ｈｚ。Ｆ　為采樣頻率，刻度也是Ｈｚ。Ｍ為組　濾波器的個數，Ｎ為ＦＦＴ的點數，則尢研］的邊　界點為美爾刻度單位劃分。計算公式可由式（７）　得到：?。樱牛恚橐弧。撸保郏拢?，１）＋ｍ?。荨。ǎ罚∵@里美爾刻度的轉換公式：?。拢◤S）一¨２５１ｎ（　＋志?。ǎ福∑淠婧瘮禐椋骸。乱弧。ǎ叮┮唬罚埃埃ǎ濉∫唬保。ǎ梗D４?。停澹鞛V波器劃分圖　則第研個濾波器的對數能量輸出可以由式?。ǎ保埃﹣肀硎荆骸。巍。伞。螅ㄑ校┮唬欤睿邸疲伞。。ā。伞＃取。ā。荨。ǎ保铮。剑啊⊙幸唬保玻汀?/p>

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第２７卷第２期　武器聲控系統的設計與實現　馬龍華等　?２６３?　將上述對數頻譜經過離散余弦變換到倒譜域就　可以得到美爾倒譜系數Ｃ?。ā。骸。瓦B續條件：　叫（　＋１）一叫（?。┮弧。谩。ā。┮弧疲螅ǎ薄。螅ā。?。ｏｓ［－ａ——　廣一］ｎ（?。恚保玻荨。ā。┮弧疲弧唬铮?，２叫（　≠叫（　一?。薄。?，２　叫（　）一ｗ（ｎ一１）?。ǎ保矗。?，２，…，Ｍ　（１１）　依照動態規劃的一般算法，它是從過程的最后一　個階段開始考慮，也就是最優決策的逆過程。首　先求解Ｄ（　，?。?，它應該是ｄ（Ｎ，Ｍ）加上以下三　個距離Ｄ（Ｎ一１，Ｍ），Ｄ（Ｎ一１，Ｍ一１），Ｄ（Ｎ一?。?，Ｍ一２）中的最小值?？紤]到式（１０）提到的連續　約束條件，Ｄ（Ｎ一１，　不允許來自Ｄ（Ｎ一２，Ｍ）?！∪缓笈袛啵模ǎ我唬?，　，Ｄ（Ｎ一１，Ｍ一１），Ｄ（Ｎ一　１，Ｍ一２），這時需要計算ｄ（Ｎ一１，　），ｍ應該是　—Ｎ一１列上允許的值。依次類推，逐次向起始點　推進。整個決策過程可以寫成遞推公式：　圖５“發射”語音ＭＦＣＣ圖　Ｄ（　＋１，ｍ）一ｄ［?。保。荩。常场討B時間規整算法?。颍模ǎ罚恚纾ǎ睿。≡谡Z音識別中不能簡單的將輸人和模板直?。恚榻幼霰容^，這樣的效果很差。這是因為語音信號?。睿摹＃ā。?，ｍ　一－１２；?。担∈蔷哂邢喈敶蟮碾S機性的，即使是同一個人在不　式中：　同時刻的對同一句話的同一個發音也不可能具　有完全的時間長度，因此對輸人信號進行時間規?。纭∫唬??！蕖。ā＃祝ā。罚。蹋祝ā∫唬薄　臁。。丁≌潜夭豢缮俚?。動態時間規整（ｄｙｎａｍｉｃ?。簦椋恚濉∵@里，ｇ（　，ｍ）的引人，等效于　，　的取值滿足上?。鳎幔颍穑模裕祝┦前褧r間規整和距離測度計算結　面提到的約束條件。　合起來的一種非線性規整技術。假設語音參考模　板的特征矢量序列為ａ。，ａ　，…，ａＭ；輸人語音信　號的特征矢量序列為ｂ　，ｂ　，…，ｂ　，Ｍ≠Ｎ，則動?。聪到y實現　態時間規整就是要尋找時間規整函數　一　由于武器系統的可靠性是最主要的，成本應　叫（?。演斎四０宓臅r間軸，ｚ非線性映射到參　該服從于可靠性，在這個指導思想的指導下選擇　考模板的時間軸　，并且滿足方程式（１２）：　的平臺組成為ＳＰＴ４～８Ｃ一３　ＰＣ／ＩＯ４ＣＰＵ主板、?。模椋幔恚铮睿洹。茫颍螅簦幔臁。停汀。校茫保埃绰暱?、有源全向麥?。摹恚椋睢疲洌邸〗校ǎ罚荨。ǎ保玻】孙L、Ｖｘｗｏｒｋｓ５．５嵌人式操作系統。ＳＰＴ４—　其中：　叫（?。菔堑凇斎耸噶亢偷冢瑓ⅰ。福靡唬场。校茫桑希矗茫校罩靼逯С郑校睿泄δ埽黝l為　考矢量的距離，Ｄ是相應于最優時間規整下兩模?。校桑桑桑福埃啊。停龋?，能直接支持該聲卡的ＰｎＰ功能。有　板的距離測度。動態時間規整是一個典型的最優　源麥克為聲音采集裝置，有源麥克采集聲音后的　化問題，它用滿足一定條件的時間規整函數　輸出為錄音的輸人，即有源麥克的輸出信號接在　（”）描述輸人模板和參考模板的時間對應關?。牛樱保福叮梗频模蹋桑危牛桑巫笥彝ǖ垒斎松?。由于Ｖｘ—　系，將求解兩模板匹配時累計距離最小對應的規?。鳎铮颍耄笙聸]有提供Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ?。停汀。校茫保希础≌瘮?。輸人模板與儲存模板之間的距離可以作　聲卡的驅動，因此需要開發聲卡的驅動程序?！檎Z音識別的一個判據。動態規劃是一種最優化?。矗甭暱寗幼⒁獾膯栴}　算法，它將一個Ｎ個階段的決策過程，也就是說　聲卡初始化后就可以自己連續工作，它通過　逐一做出的Ｎ個子決策問題，以便使計算問題簡　ＤＭＡ將數據直接送到指定內存環，并產生中斷　化。在動態規劃的具體問題中規整函數叫（，ｚ）應　來提醒應用程序及時處理。聲卡的初始化過程　滿足邊界條件和連續條件的約束。邊界條件：　中可以按照聲卡說明的步驟即可。但是由于　叫（１）一１，叫（Ｎ）一Ｍ?。ǎ保常。模停恋牡刂肺粩迪拗疲模停敛荒苓M行３２位尋　

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??。玻叮础?　彈箭與制導學報　址，不能用動態分配內存的方式來給ＤＭＡ分配　緩沖區，ＤＭＡ只能進行低２４位尋址，而系統的　低端存是可以用來進行ＤＭＡ傳送的。因此要　選擇系統內不和別的ＤＭＡ沖突的低端內存空　間，但是Ｖｘｗｏｒｋｓ并不能自動識別要分配的空　間，因此要修改Ｖｘｗｏｒｋｓ的ｐｃ．ｈ還有ｓｙｓＬｉｂ．ｃ　匹配成功后長時間沒有第二個命令時返回第一　個命令匹配，這里初始化這類的命令除外?！。怠〗Y果分析　由圖２和圖３可以得到，這種方法可以準確　地判斷出語音的起始點。并由圖５可知利用每　來傳人設定的地址和空間大小，同時系統ＤＭＡ　個時間片的ＭＦＣＣ系數都是相等的可以計算出　和卡上的ＤＭＡ模式一定要相同，否則就會出現　無法進入中斷等故障。向ＤＭＡ控制寄存器里　面寫入的值要和設定的值相同。當產生一個中　斷時就說明有一半的傳輸已經完成，可以安全的　拷貝走其中的數據，每次中斷來時就可以用類似　乒乓操作的方式來讀走數據?！。矗沧R別模塊實現的具體問題　模板個數的選取，對于實際應用來說使用者　主要為男性，女性較少。因此每個命令選３個男　性和１個女性作為實際的模板。男性女性選擇３　個模板。這樣有助于提高識別能力，由于武器操　作中命令不會很多，因此詞匯表選擇為５０個兩　個字的命令?！≡鲆嫦禂档恼{整，讓每個操作員在正確的戰　位位置上發音，記錄這時候聲音的平均幅度為標　準值ｌ，然后對端點檢測后的語音進行增益調　整，以便盡量抵消操作員的發音指向帶來的語音　波形的變化?！。停疲茫孟禂惦A數的選擇，由于ＭＦＣＣ屬于　倒譜運算的一種，因此它的系數也有遞減的特　性，ＭＦＣＣ的系數最好不要低于８，低于８會對　識別有影響。高于１３以后的識別效果沒有明顯　的改善并且階數越高計算量也就越大，因此可以　將ＭＦＣＣ參數１３階以上的全部忽略，從而減少　匹配的運算量，在計算的過程中選擇４Ｏ階的?。停疲茫脜担侵挥星埃保硞€參數參加匹配運　算，試驗結果也表明大于１３以后識別正確率沒　有明顯的提高?！∑ヅ洳呗缘倪x擇，一般按照武器使用順序為　匹配順序，也就是說第一個匹配一般對應于第一　個命令，其后的匹配與對應于的武器使用順序的　命令為第一匹配。當第一或者某個匹配大于某　個特定的閩值時直接結束搜索，當全部搜索都小　于某個特定閾值時就轉回最初匹配。當在以上　兩個閾值之間時輸出最佳的匹配結果。當一個　一個時間片的距離。然后根據這個距離就可以　利用ＤＴＷ方法來進行時間規整，求出輸入語音　和所有模板之間的距離，做出判別結果。表１給　出了最終試驗結果?！”恚辈煌０鍞底R別結果比較　由以上結果分析可知，由模板數１增加到２　的時候識別率有明顯的提高，但是由２增加到３　的時候識別率提升不是很大。因此模板數太多　以后對識別率不會有太大的改善。從試驗結果　來看本系統能夠減輕操作員５５　的操作動作，　能夠極大地減輕操作強度。由此可知該系統能　夠滿足武器系統語音控制的實際要求。?。蹍ⅰ】肌∥摹～I］?。郏保荩獭。摇。遥幔猓椋睿澹?。Ｂ　Ｈ　Ｊｕａｎｇ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ?。铮妗。螅穑澹澹悖琛。颍澹悖铮纾睿椋簦椋铮睿郏停荩危澹鳌。剩澹颍螅。校颍澹睿簦椋悖濉。龋幔欤臁＃保梗梗常。郏玻荩兀酰澹洌铮睿纭。龋酰幔睿纭＃粒欤澹粒悖澹颍洌龋螅椋幔铮祝酰澹睢。龋铮睿。樱穑铮耄澹睢。蹋幔睿纾酰幔纾澹郏停荩危澹鳌。剩澹颍螅澹。校颍澹睿簦椋悖濉。龋幔欤??！。玻埃埃保。郏常荩龋幔睿蟆牵酰睿簦澹颉。龋椋颍螅悖琛。幔睿洹。模幔觯椋洹。校澹幔颍悖澹裕瑁濉。幔酰颍铮颍帷。澹穑澹颍椋恚澹睿簦幔臁。妫颍幔恚澹鳎铮颍搿。妫铮颉。簦瑁濉。穑澹颍妫铮颍恚幔睿悖濉。澹觯幔欤酢。幔簦椋铮睢。铮妗。螅穑澹澹悖琛。颍澹悖铮纾睿椋簦椋铮睢。螅螅簦澹恚蟆。酰睿洌澹颉。睿铮椋螅。悖铮睿洌椋簦椋铮睿螅郏粒荩桑樱茫痢。桑裕遥住。粒樱遥玻埃埃埃郏悖荩樱澹稹。簦澹恚猓澹颉。玻埃埃埃。郏矗萃醣a，屈丹。彭煊．實用語音識別基礎［Ｍ］．北　京：國防工業出版社．２００５．?。郏担荨。牛洌鳎幔颍洹。校谩。耍幔铮粒睢。椋睿簦颍铮洌酰悖簦椋铮睢。簦铩。螅簦铮悖瑁幔螅簦椋恪。穑颍铮悖澹螅螅澹蟆。猓澹颍椋睿纭。悖瑁椋睿帷。恚幔悖瑁椋睿濉。穑颍澹螅螅郏冢荩玻埃埃常。郏叮菀卓顺酰锉?。付強．語音信號處理［Ｍ］．北京：國　防工業出版社。２０００．