一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統及方法與流程
2023-07-09 10:37:21
本發明涉及交通領域，特別涉及一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統及方法。
背景技術：
改革開放以來，由於中國勞動力成本較低、引進外資優惠政策等因素，我國玩具行業突飛猛進，20 世紀90 年代中國已成為世界最大的玩具生產國。據中國產業調研網發布的《2015年中國玩具市場調查分析與發展前景研究報告》顯示，2013年全球玩具市場規模達到853億美元，較2012 年增長1.4%；2014年全球玩具市場規模達到860億美元，較2013年增長0.8%。
體感技術，在於人們可以很直接地使用肢體動作，與周邊的裝置或環境互動，而無需使用任何複雜的控制設備，便可讓人們身歷其境地與內容做互動。依照體感方式與原理的不同，主要可分為三大類：慣性感測、光學感測以及慣性及光學聯合感測。
隨著技術的不斷發展和進步，越來越多的前沿技術應用到玩具領域，體感就是其中一種，同時由於語音識別對於玩具的智能控制也顯得更加方便，語音識別也漸漸額加入到玩具製作中來。
技術實現要素：
鑑於此，本發明提供了一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統及方法，本發明具有具備體感控制功能、具備語音控制功能、識別準確和成本低等優點。
本發明採用的技術方案如下：
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統，其特徵在於，所述系統包括：用於穿戴於人體檢測人體動作控制命令的控制端和用於根據控制端發送過來的控制命令控制玩具運行，以及根據語音識別裝置的識別結果控制玩具運行的玩具端；所述控制端包括：用於獲取人體加速度信息的加速度傳感器；用於獲取磁偏角的磁力計；用於獲取人體傾角的陀螺儀；所述加速度傳感器、磁力計和陀螺儀分別信號連接於主控制器；所述主控制器信號連接於用於提供時鐘信號的晶振電路和用於連通控制端和玩具端數據通信的無線通信裝置；所述玩具端包括：用於識別用戶語音控制命令的語音識別裝置，所述語音識別裝置信號連接於用於處理來往於玩具端的控制命令的微處理器；所述微處理器信號連接於無線通信裝置。
所述語音識別裝置包括：用於獲取原始語音信號的聲音採集裝置；所述聲音採集裝置信號連接於用於對語音進行識別的語音識別晶片；所述語音識別晶片包括：用於對採集到的聲音信號進行分幀處理的分幀處理模塊；所述分幀處理模塊分別信號連接於用於判斷分幀處理後的聲音信號是否協調的判斷模塊以及聲音採集裝置；所述判斷模塊信號連接於用於對聲音信號進行傅立葉變換的傅立葉變換模塊；所述傅立葉變換模塊信號連接於用於頻域比較的頻域分析模塊。
所述主控制器包括：用於連通主控制器和各個感應裝置數據連接的接口單元；所述接口單元信號連接與用於對接收到的各個感應裝置發送過來的數據進行數據處理的數據處理器；所述數據處理器信號連接於用於將數據處理器的處理結果轉換為控制命令的命令生成器；所述命令生成器信號連接於無線通信裝置。
所述微處理器包括：優先級設定單元和控制器；所述優先級設定單元，用於根據用戶的設置，對語音識別裝置發送過來的控制命令和控制端發送過來的控制命令進行優先級設定，決定在兩種命令同時到達且相互衝突的情況下，應該遵循優先級更高的命令；所述控制器，用於根據控制命令控制玩具的運行。
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：用戶在玩具端設置語音控制命令和控制端控制命令的優先級；若設定語音控制命令的優先級更高，則當語音識別裝置和控制端的控制命令同時到達且不一致的情況下，微處理器將遵循語音識別裝置的控制命令；
步驟3：控制端的主控制器將陀螺儀、磁力計和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理後，根據數據處理的結果生成對應的控制命令，經無線通信裝置發送至玩具端；
步驟4：語音識別裝置對採集到的用戶的原始數據信息進行識別，得出語音控制命令，將語音控制命令發送至微處理器；
步驟5：微處理器根據接收到的控制命令，控制玩具機體的運行。
所述主控制器對磁力計、陀螺儀和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理的方法包括以下步驟：
步驟1：根據從陀螺儀中獲取到的數據信息，求取四元數，然後採用如下公式，將四元數轉換成姿態角：
；其中，，，為三軸加速度的橫坐標
步驟2：然後利用從加速度計獲取到的數據信息，採用卡爾曼濾波的方法對四元數進行修正，採用的狀態空間方程為：
其中 是k時刻的系統狀態， 是k時刻的系統的控制量，A和B是系統參數， 是k時刻的測量值， 是測量系統的參數， 和 分別表示過程和測量的噪聲。
步驟3：隨後讀取磁力計輸出的三軸磁場強度為：，然後用加速度計對磁力計進行傾斜補償：
根據傾斜補償後的磁力輸出，可以求得偏航角為：
。
所述語音識別裝置對採集到的語音進行識別的方法包括以下步驟：
步驟1：求取分幀處理後的信號的短時能量，所述短時能量的求取方法採用如下公式：
，其中 是聲音信號在某一點的採樣信號；
步驟2：根據求取出的短時能量區分出清音還是濁音信號；
步驟3：若分辨出是濁音信號，則從硬碟存儲器中獲取樣本，同樣提取聲音信號在該點的採樣，求取出短時能量；
步驟4：將濁音信號在該店的短時能量和樣本在該點的短時能量進行對比，判斷兩者的差異，進而判斷採集到的聲音信號是否匹配。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、具備體感控制功能：本發明的玩具控制系統能夠根據控制端的人體的姿態不同生成不同的控制命令，進而控制玩具的運行。
2、具備語音控制功能：本發明的玩具控制系統能夠根據人發出的語音進行識別，得出語音控制命令，進而控制玩具的運行。
3、成本低：本發明的玩具控制系統各個部分彼此獨立，適用於工業生產，只需要將生產後的各個部分進行組合就行，且本發明各個部分的連接關係簡單，容易組裝，進一步的降低了成本。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、識別準確：本發明採用改進後的語音識別算法，能夠更加準確的識別用戶的語音控制命令；此外，本發明對人體進行姿態檢測時，也採用了改進後的姿態檢測算法，對採集到的姿態數據信息進行融合和補償，得出最終的識別結果，保證了識別的準確性。
2、具備體感控制功能：本發明的玩具控制系統能夠根據控制端的人體的姿態不同生成不同的控制命令，進而控制玩具的運行。
3、具備語音控制功能：本發明的玩具控制系統能夠根據人發出的語音進行識別，得出語音控制命令，進而控制玩具的運行。
4、成本低：本發明的玩具控制系統各個部分彼此獨立，適用於工業生產，只需要將生產後的各個部分進行組合就行，且本發明各個部分的連接關係簡單，容易組裝，進一步的降低了成本。
附圖說明
圖1是本發明的一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統及方法的系統結構示意圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
本發明實施例1中提供了一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統，系統結構如圖1所示：
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統，其特徵在於，所述系統包括：用於穿戴於人體檢測人體動作控制命令的控制端和用於根據控制端發送過來的控制命令控制玩具運行，以及根據語音識別裝置的識別結果控制玩具運行的玩具端；所述控制端包括：用於獲取人體加速度信息的加速度傳感器；用於獲取磁偏角的磁力計；用於獲取人體傾角的陀螺儀；所述加速度傳感器、磁力計和陀螺儀分別信號連接於主控制器；所述主控制器信號連接於用於提供時鐘信號的晶振電路和用於連通控制端和玩具端數據通信的無線通信裝置；所述玩具端包括：用於識別用戶語音控制命令的語音識別裝置，所述語音識別裝置信號連接於用於處理來往於玩具端的控制命令的微處理器；所述微處理器信號連接於無線通信裝置。
所述語音識別裝置包括：用於獲取原始語音信號的聲音採集裝置；所述聲音採集裝置信號連接於用於對語音進行識別的語音識別晶片；所述語音識別晶片包括：用於對採集到的聲音信號進行分幀處理的分幀處理模塊；所述分幀處理模塊分別信號連接於用於判斷分幀處理後的聲音信號是否協調的判斷模塊以及聲音採集裝置；所述判斷模塊信號連接於用於對聲音信號進行傅立葉變換的傅立葉變換模塊；所述傅立葉變換模塊信號連接於用於頻域比較的頻域分析模塊。
所述主控制器包括：用於連通主控制器和各個感應裝置數據連接的接口單元；所述接口單元信號連接與用於對接收到的各個感應裝置發送過來的數據進行數據處理的數據處理器；所述數據處理器信號連接於用於將數據處理器的處理結果轉換為控制命令的命令生成器；所述命令生成器信號連接於無線通信裝置。
所述微處理器包括：優先級設定單元和控制器；所述優先級設定單元，用於根據用戶的設置，對語音識別裝置發送過來的控制命令和控制端發送過來的控制命令進行優先級設定，決定在兩種命令同時到達且相互衝突的情況下，應該遵循優先級更高的命令；所述控制器，用於根據控制命令控制玩具的運行。
本發明實施例2中提供了一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統的方法，
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：用戶在玩具端設置語音控制命令和控制端控制命令的優先級；若設定語音控制命令的優先級更高，則當語音識別裝置和控制端的控制命令同時到達且不一致的情況下，微處理器將遵循語音識別裝置的控制命令；
步驟3：控制端的主控制器將陀螺儀、磁力計和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理後，根據數據處理的結果生成對應的控制命令，經無線通信裝置發送至玩具端；
步驟4：語音識別裝置對採集到的用戶的原始數據信息進行識別，得出語音控制命令，將語音控制命令發送至微處理器；
步驟5：微處理器根據接收到的控制命令，控制玩具機體的運行。
所述主控制器對磁力計、陀螺儀和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理的方法包括以下步驟：
步驟1：根據從陀螺儀中獲取到的數據信息，求取四元數，然後採用如下公式，將四元數轉換成姿態角：
；其中，，，為三軸加速度的橫坐標
步驟2：然後利用從加速度計獲取到的數據信息，採用卡爾曼濾波的方法對四元數進行修正，採用的狀態空間方程為：
其中 是k時刻的系統狀態， 是k時刻的系統的控制量，A和B是系統參數， 是k時刻的測量值， 是測量系統的參數， 和 分別表示過程和測量的噪聲。
步驟3：隨後讀取磁力計輸出的三軸磁場強度為： ，然後用加速度計對磁力計進行傾斜補償：
根據傾斜補償後的磁力輸出，可以求得偏航角為：
。
所述語音識別裝置對採集到的語音進行識別的方法包括以下步驟：
步驟1：求取分幀處理後的信號的短時能量，所述短時能量的求取方法採用如下公式：
，其中 是聲音信號在某一點的採樣信號；
步驟2：根據求取出的短時能量區分出清音還是濁音信號；
步驟3：若分辨出是濁音信號，則從硬碟存儲器中獲取樣本，同樣提取聲音信號在該點的採樣，求取出短時能量；
步驟4：將濁音信號在該店的短時能量和樣本在該點的短時能量進行對比，判斷兩者的差異，進而判斷採集到的聲音信號是否匹配。
本發明實施例3中提供了一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統及方法，系統結構如圖1所示：
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統，其特徵在於，所述系統包括：用於穿戴於人體檢測人體動作控制命令的控制端和用於根據控制端發送過來的控制命令控制玩具運行，以及根據語音識別裝置的識別結果控制玩具運行的玩具端；所述控制端包括：用於獲取人體加速度信息的加速度傳感器；用於獲取磁偏角的磁力計；用於獲取人體傾角的陀螺儀；所述加速度傳感器、磁力計和陀螺儀分別信號連接於主控制器；所述主控制器信號連接於用於提供時鐘信號的晶振電路和用於連通控制端和玩具端數據通信的無線通信裝置；所述玩具端包括：用於識別用戶語音控制命令的語音識別裝置，所述語音識別裝置信號連接於用於處理來往於玩具端的控制命令的微處理器；所述微處理器信號連接於無線通信裝置。
所述語音識別裝置包括：用於獲取原始語音信號的聲音採集裝置；所述聲音採集裝置信號連接於用於對語音進行識別的語音識別晶片；所述語音識別晶片包括：用於對採集到的聲音信號進行分幀處理的分幀處理模塊；所述分幀處理模塊分別信號連接於用於判斷分幀處理後的聲音信號是否協調的判斷模塊以及聲音採集裝置；所述判斷模塊信號連接於用於對聲音信號進行傅立葉變換的傅立葉變換模塊；所述傅立葉變換模塊信號連接於用於頻域比較的頻域分析模塊。
所述主控制器包括：用於連通主控制器和各個感應裝置數據連接的接口單元；所述接口單元信號連接與用於對接收到的各個感應裝置發送過來的數據進行數據處理的數據處理器；所述數據處理器信號連接於用於將數據處理器的處理結果轉換為控制命令的命令生成器；所述命令生成器信號連接於無線通信裝置。
所述微處理器包括：優先級設定單元和控制器；所述優先級設定單元，用於根據用戶的設置，對語音識別裝置發送過來的控制命令和控制端發送過來的控制命令進行優先級設定，決定在兩種命令同時到達且相互衝突的情況下，應該遵循優先級更高的命令；所述控制器，用於根據控制命令控制玩具的運行。
一種基於姿態檢測的智能玩具控制系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：用戶在玩具端設置語音控制命令和控制端控制命令的優先級；若設定語音控制命令的優先級更高，則當語音識別裝置和控制端的控制命令同時到達且不一致的情況下，微處理器將遵循語音識別裝置的控制命令；
步驟3：控制端的主控制器將陀螺儀、磁力計和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理後，根據數據處理的結果生成對應的控制命令，經無線通信裝置發送至玩具端；
步驟4：語音識別裝置對採集到的用戶的原始數據信息進行識別，得出語音控制命令，將語音控制命令發送至微處理器；
步驟5：微處理器根據接收到的控制命令，控制玩具機體的運行。
所述主控制器對磁力計、陀螺儀和加速度傳感器發送過來的數據信息進行數據處理的方法包括以下步驟：
步驟1：根據從陀螺儀中獲取到的數據信息，求取四元數，然後採用如下公式，將四元數轉換成姿態角：
；其中，，，為三軸加速度的橫坐標
步驟2：然後利用從加速度計獲取到的數據信息，採用卡爾曼濾波的方法對四元數進行修正，採用的狀態空間方程為：
其中 是k時刻的系統狀態， 是k時刻的系統的控制量，A和B是系統參數， 是k時刻的測量值， 是測量系統的參數， 和 分別表示過程和測量的噪聲。
步驟3：隨後讀取磁力計輸出的三軸磁場強度為：，然後用加速度計對磁力計進行傾斜補償：
根據傾斜補償後的磁力輸出，可以求得偏航角為：
。
所述語音識別裝置對採集到的語音進行識別的方法包括以下步驟：
步驟1：求取分幀處理後的信號的短時能量，所述短時能量的求取方法採用如下公式：
，其中 是聲音信號在某一點的採樣信號；
步驟2：根據求取出的短時能量區分出清音還是濁音信號；
步驟3：若分辨出是濁音信號，則從硬碟存儲器中獲取樣本，同樣提取聲音信號在該點的採樣，求取出短時能量；
步驟4：將濁音信號在該店的短時能量和樣本在該點的短時能量進行對比，判斷兩者的差異，進而判斷採集到的聲音信號是否匹配。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。