15、构建语音控制机器人

最新推荐文章于 2025-10-15 06:43:12 发布

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#语音控制机器人 # 树莓派 # 蓝牙配对

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构建语音控制机器人

1. 蓝牙配对与串口启用

在完成相关操作后，输入 exit 。接着，可通过输入 sudo bluetoothctl 来检查设备是否已与 RPi 配对。至此，RPi 的蓝牙与安卓智能手机的蓝牙配对完成。接下来，需要启用 RPi 蓝牙的串口。
- 创建脚本 ：
- 输入命令 sudo nano bt_serial 。
- 在脚本中输入以下内容：

hciconfig hci0 piscan
sdptool add SP

- 按 `Ctrl + O` 保存，按 `Ctrl + X` 退出脚本。

执行脚本 ：
- 输入命令 sudo chmod +x bt_serial （执行权限命令）。
- 输入命令 sudo ./bt_serial （运行命令）。运行脚本后，会看到消息 Serial Port service registered 。

2. 树莓派蓝牙程序开发

在设计好安卓应用、完成设备配对并启用串口后，就可以对 RPi 进行编程，使其能够接收来自安卓智能手机的文本数据。这里将使用套接字编程中的套接字来实现。

2.1 套接字编程

套接字是网络中双向通信系统的端点，用于发送信息。在设备间建立蓝牙通信时，需要创建套接字，一个在服务器端（RPi），另一个在客户端（安卓智能手机）。在蓝牙编程中，有 RFCOMM 和 L2CAP 两种套接字选项，具体连接步骤如下：
|步骤|功能|描述|
| ---- | ---- | ---- |
|1|Socket creation (client/server)|在客户端和服务器端程序中创建套接字： socket(int domain, int type, int protocol) 。在本案例中， domain 为 AF_BLUETOOTH ， type 为 SOCK_STREAM ， protocol 可选择 RFCOMM 或 L2CAP 。|
|2|Connect (client)|客户端尝试与服务器端套接字建立连接： connect(int sock, const struct sockaddr *server_address, socklen_t info) ，其中 server_address 为 RPi 地址。|
|3|Bind (server)|服务器端绑定地址和端口号： bind(int sock, const struct sockaddr *address, socklen_t info) ，将 RPi 的 MAC 地址存储在其中。|
|4|Listen (server)|服务器端套接字等待客户端连接： listen(int sock, int backlog) ， backlog 通常设为 1。|
|5|Accept (server)|服务器端等待客户端连接请求并创建新套接字： int new_socket = accept(int sock, struct sock_address *clientaddress, socklen_t info) ， clientaddress 为安卓智能手机地址。|
|6|Send (client/server)|用于在客户端和服务器端之间发送数据。|
|7|Read (client/server)|用于读取客户端和服务器端之间传输的数据。|
|8|Close (client/server)|关闭套接字并释放分配的内存。|

由于已经使用 App Inventor 创建了 VoiceControlBot 安卓应用，因此无需编写客户端程序，只需为 RPi 机器人编写服务器端程序。

3. VoiceBot 服务器程序

在 VoiceBot 服务器程序中，首先使用套接字程序建立设备间的套接字连接，然后接收来自安卓智能手机的传入数据，最后根据接收到的数据移动机器人。VoiceBot.c 程序可从 GitHub 仓库的 Chapter09 文件夹下载。具体步骤如下：
1. 声明必要的头文件 ：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>               //Socket header file
#include <bluetooth/bluetooth.h>      //Bluetooth header file
#include <bluetooth/rfcomm.h>         //Radio frequency communication header file
#include <wiringPi.h>

在 main() 函数中声明输出引脚 ：

pinMode(0,OUTPUT);
pinMode(2,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);
pinMode(4,OUTPUT);

声明相关变量和结构体 ：

struct sockaddr_rc server_address = { 0 }, client_address = { 0 };
char data[1024] = { 0 };
int s, clientsocket, bytes;
socklen_t opt = sizeof(client_address);

创建套接字 ：

s = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_STREAM, BTPROTO_RFCOMM);

绑定 RPi 的蓝牙 MAC 地址并进入监听模式 ：

bind(s, (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
listen(s, 1);

接受连接并创建新的客户端套接字 ：

clientsocket = accept(s, (struct sockaddr *)&client_address, &opt);

显示连接的蓝牙 MAC 地址 ：

ba2str( &client_address.rc_bdaddr, data );
fprintf(stderr, "Connected to %s\n", data);

读取传入数据并根据数据控制机器人 ：

for(;;){
    bytes = read(clientsocket, data, sizeof(data));
    if( bytes > 0 ) {
        printf("Alphabet: %s\n", data);
        if(*data=='F')
        {
            ----Forward Code----
        }
        else if(*data=='B')
        {
            ----Backward Code----
        }
        else if(*data=='L')
        {
            ----Axial Left Turn Code----
        }
        else if(*data=='R')
        {
            ----Axial Right Turn Code----
        }
        else if(*data=='S')
        {
            ----Stop Code----
        }
    }
}

关闭套接字 ：

close(clientsocket);
close(s);

编译代码 ：由于代码包含套接字和蓝牙头文件，编译时需要在构建命令中添加 -lbluetooth 命令。因为这是一个 C 程序，还需要添加 -lwiringPi 命令来编译 wiringPi 代码。

4. 代码测试

在编译和构建程序之前，要确保安卓智能手机的蓝牙和 RPi 的蓝牙已配对。若未配对，运行 VoiceControlBot 应用时，RPi 蓝牙名称（raspberrypi）将不会出现在蓝牙列表中。配对步骤可参考相关说明。
- 执行之前创建的 bt_serial 脚本：
- 输入命令 sudo chmod +x bt_serial （执行权限命令）。
- 输入命令 sudo ./bt_serial （运行命令）。无需每次运行程序时都执行该脚本，但在开始新的 RPi 会话并测试 VoiceBot.c 程序时需要执行。
- 编译并构建 VoiceBot.c 程序。
- 打开 VoiceControlBot 安卓应用，按下 CONNECT 列表选择器，会在蓝牙列表中看到 raspberrypi 及其 MAC 地址，选择该选项连接设备。
- 连接成功后，终端窗口会显示 Connected to: 和安卓蓝牙 MAC 地址。若出现 Error 507: Unable to Connect. Is the device turned on? 错误，点击连接按钮并再次选择 raspberrypi 蓝牙。
- 设备连接后，点击语音识别按钮并开始说话。说 forward 时，屏幕会显示该单词，字母 F 会发送到 RPi；说 back 、 left 、 right 和 stop 时，字母 B 、 L 、 R 和 S 会发送到 RPi 的蓝牙，机器人会相应移动。若说其他单词，语音识别器会识别并显示，但不会向 RPi 发送文本数据。

以下是整个流程的 mermaid 流程图：

graph TD;
    A[蓝牙配对] --> B[串口启用];
    B --> C[蓝牙程序开发];
    C --> D[VoiceBot服务器程序编写];
    D --> E[代码测试];

通过以上步骤，就可以实现一个简单的语音控制机器人。在实际应用中，还可以根据需求对代码进行扩展和优化，例如添加更多的语音指令、优化机器人的运动控制等。

构建语音控制机器人

5. 常见问题及解决方法

在构建和测试语音控制机器人的过程中，可能会遇到一些常见问题，以下是这些问题及相应的解决方法：
|问题|解决方法|
| ---- | ---- |
|蓝牙配对失败|确保安卓智能手机和 RPi 的蓝牙功能都已开启，并且 RPi 的蓝牙可见。重新按照配对步骤进行操作，确保输入的配对码正确。如果问题仍然存在，尝试重启设备后再次配对。|
| bt_serial 脚本执行失败|检查脚本文件是否存在，以及文件权限是否正确。可以使用 ls -l 命令查看文件权限，若权限不足，使用 sudo chmod +x bt_serial 命令赋予执行权限。若文件名拼写错误，修改为正确的文件名。|
|VoiceBot.c 程序编译错误|检查代码中是否存在语法错误，特别是头文件的引用和函数的调用。确保编译命令中包含了必要的参数 -lbluetooth 和 -lwiringPi 。若仍然无法编译，检查相关库文件是否已正确安装。|
|连接设备时出现 Error 507: Unable to Connect. Is the device turned on? 错误|检查设备是否开启，蓝牙是否正常工作。点击连接按钮并再次选择 raspberrypi 蓝牙进行连接。若问题依旧，尝试重启设备和重新执行 bt_serial 脚本。|
|语音指令无法控制机器人|检查语音识别功能是否正常，确保 VoiceControlBot 安卓应用能够正确识别语音。检查 RPi 是否接收到了正确的指令字母，可在终端查看输出信息。若未接收到指令，检查蓝牙连接是否稳定。

6. 扩展与优化建议

为了让语音控制机器人更加智能和实用，可以进行以下扩展和优化：
- 添加更多语音指令 ：在 VoiceBot.c 程序中添加更多的 if 条件语句，以支持更多的语音指令。例如，可以添加 T 指令用于机器人转弯特定角度， M 指令用于机器人执行特定的动作序列等。示例代码如下：

if(*data=='T')
{
    ----Turn Specific Angle Code----
}
else if(*data=='M')
{
    ----Execute Specific Action Sequence Code----
}

优化机器人运动控制 ：可以使用更复杂的算法来控制机器人的运动，例如使用 PID 控制算法来精确控制机器人的速度和转向。同时，可以添加传感器来实现避障、跟随等功能，提高机器人的自主性。
增强语音识别准确性 ：可以使用更先进的语音识别技术，如 Google Cloud Speech-to-Text 或百度语音识别 API，来提高语音识别的准确性和稳定性。在安卓应用中集成这些 API，并将识别结果发送到 RPi。
实现远程控制 ：可以通过网络连接实现对机器人的远程控制，例如使用 Wi-Fi 或蓝牙网络。在 RPi 上搭建服务器，通过网络接收远程指令并控制机器人的运动。

7. 总结

通过以上步骤，我们成功构建了一个简单的语音控制机器人。从蓝牙配对、串口启用，到蓝牙程序开发和 VoiceBot 服务器程序编写，再到代码测试和问题解决，每个环节都至关重要。在实际应用中，我们可以根据需求对机器人进行扩展和优化，使其具备更多的功能和更高的性能。

以下是扩展与优化的 mermaid 流程图：

graph TD;
    A[添加更多语音指令] --> B[优化机器人运动控制];
    B --> C[增强语音识别准确性];
    C --> D[实现远程控制];

总之，构建语音控制机器人是一个有趣且富有挑战性的项目，它结合了硬件和软件知识，为我们提供了一个实践和创新的平台。希望本文能够帮助你顺利完成语音控制机器人的构建，并激发你更多的创意和想法。