CN106935247A - 一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置及方法 - Google Patents

一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开并提供了一种高效的在高危环境中无需手动操作，通过语音控制即可实现即时通信，使语音更加准确清晰，有效增强团队沟通能力的用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置及语音识别控制方法。一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置包括无线送话器、无线语音通信智能控制器。无线语音通信智能控制器在接收到送话器的音频信号后，通过独特的采集方法和算法，对该音频包包括呼吸声、语音、噪音及各种音频的反射所形成的混响、回声等进行降噪、校正等分析处理，最终将保留清晰的语音信号。本发明应用于语音识别控制装置的技术领域。

Description

一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制 装置及方法
技术领域
本发明涉及一种语音识别控制装置及语音识别控制方法,特别涉及一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置及语音识别控制方法。
背景技术
目前，消防员或抢险救护人员在充满浓烟、毒气、蒸汽或缺氧等高危环境下使用正压式空气呼吸器进行灭火、抢险救灾和救护工作时，均不能直接实现语音通信，在实际应用中无法完成诸多任务，更无法进行有效沟通和协作以及指挥，从而耽误抢险救援时机，造成严重后果。
在使用正压式空气呼吸器的语音通信这个领域中，已有的传统语音传输解决方案是通过头骨震动或喉部震通信装置来传输语音。人体发声时，会相应引起头骨或喉部震动，这个震动信号通过专用语音芯片就可转换成语音。讲话时需要压住佩戴在身上的 PTT语音开关触发通话，才能把语音发出。无法在救援现场环境中解放自己的双手，且对使用者有一定的要求。因此在实际工作过程中很难实现方便快捷的语音通信，从而耽误救援时机，造成严重后果。
同时，上述方案存在以下严重缺陷：A、佩戴要严格按要求佩戴，需要紧贴头顶或喉部，这样就使佩戴者感觉不舒服；B、对使用者讲话发音、语速有一定要求；C、在工作时，如双手被占用，那么这种装置将无法使用，将失去它原有的功效，而成为负担；D、传送的语音不清晰，容易误解。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种高效的在高危环境中无需手动操作，通过语音控制即可实现即时通信，使语音更加准确清晰，有效增强团队沟通能力的用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置及语音识别控制方法。
本发明所采用的技术方案是：所述一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置包括安装在正压式空气呼吸器内或狭小密闭空间内的无线送话器、与所述无线送话器无线连接的无线语音通信智能控制器及与所述无线语音通信智能控制器相连接的对讲机；所述无线送话器包括安装在正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的麦克风及与所述麦克风信号连接的无线信号处理发射模块；所述无线语音通信智能控制器包括与所述无线信号处理发射模块相适配的无线接收模块及与所述无线接收模块信号连接的处理器，所述对讲机与所述处理器信号连接。
进一步，所述处理器包括与所述无线接收模块信号连接的音频采集模块、与所述音频采集模块信号连接的音频处理模块、与所述音频处理模块信号连接的语音发送模块，所述语音发送模块与所述对讲机信号连接。
进一步，所述音频处理模块包括音频滤波电路、音频补偿电路、音频校正电路和音频识别电路。
进一步，所述麦克风上设置有低能量吸音防水膜。
一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法包括如下步骤：
a、正压式空气呼吸器或狭小密闭空间内的音频经过低能量吸音防水膜11吸收过滤后达到所述麦克风，所述麦克风将后续的音频信号通过所述无线信号处理发射模块全部发送到所述无线语音通信智能控制器；
b、所述音频采集模块对所述无线接收模块接收的信号进行采集，然后所述音频采集模块再将采集到的音频包发送给所述音频处理模块，所述音频包包括呼吸声、语音、噪音及各种音频的反射所形成的混响；
c、所述音频处理模块对音频包进行计算分析校正处理，将语音信号从这些混合信号有效的区分开，最终将保留清晰的语音信号；
d、所述语音发送模块接收到清晰的语音信号后，将自动打开对讲机语音PTT通话开关，无需手动操作，并将清晰的语音信号发送给所述对讲机，通过对讲机发送出去。
进一步，所述音频处理模块9采用语音自动检测算法，所述语音自动检测算法包括如下流程：信号输入→预处理→傅里叶变换→语音与噪声能量计算→VAD判断器→平滑滤波→信号输出，其中在预处理后的信号部分进行过零率计算，再将过零率计算后的数值输送至所述VAD判断器；另外初始化信号进入前帧状态，然后再进行自适应阈值计算和平滑滤波处理，自适应阈值计算再输入能量计算部分和VAD判断器；上述平滑滤波处理后部分信号进入前帧状态部分。
进一步，所述预处理包括信号解码、分帧以及利用带通滤波消除由信号采集时造成的噪声。
进一步，所述语音自动检测算法需要用到的阈值包括语音信号的最低频率V_Low_Freq、最高频率V_High_Freq；噪声信号的最低频率N_Low_Freq、最高频率N_High_Freq；过零率TH_ZCR；最低语音信号能力TH_Energy。
为了消除检测错误，将前帧信号和当前信号进行平滑滤波处理，处理完之后，进一步更新前帧信号状态，同时将新的状态输入自适应阈值计算模块，重新计算各个阈值。
进一步，所述无线信号处理发射模块和所述无线接收模块之间采用2.4G频段跳频技术，避免了其它信号的干扰，再通过一对一的通信方式，有效保证了语音通信的可靠性，不会发生中断和其它干扰。
本发明的有益效果是：在使用时，在面罩内放置无线送话器，所述无线送话器收集面罩所有的音频信号。所述无线送话器上有所述低能量吸音防水膜，所述低能量吸音防水膜能吸收面罩内音频信号的反射信号中能量较弱信号，起到去除噪音的作用。通过无线传输方式将音频信号发送给所述无线语音通信智能控制器。所述无线语音通信智能控制器的音频信号后，采用音频采集方法和算法对该音频包，该音频包包括呼吸声、语音、噪音及各种音频的反射所形成的混响、回声等进行降噪、校正等分析处理，最终将保留清晰的语音信号。当无线语音通信智能控制器检测到语音信号时，自动打开对讲机的语音PTT通话开关，无需手动操作，并将该语音通过对讲机发送出去。有数据需要发送时，***会自行发送，无需任何操作。该***是专门用于烟火、有毒、复杂地形等危险环境下的一种小巧轻便的语音通信控制***，解决了一线战斗人员在火灾、浓烟、有毒气体等高危环境中佩戴正压式空气呼吸器时，无法相互之间、与外界之间沟通的难题。佩戴者可通过用户已有的通信平台，与指挥中心及救援人员相互之间进行即时语音通信，完美地实现了全程语音通信控制，终结了目视手语通信指挥时代，在延伸了指挥距离的同时，减少了指挥层次，真正实现了控制中心与操作员的同步协调，并且使每个操作员都能及时了解救援场地的实况，有助于节省宝贵的救援时间，提高救援人员和被救人员的安全保障，达到有效避险的目的，同时提高了勘查效率和救援成效。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明中语音自动检测算法的流程示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，在本实施例中，所述一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置包括安装在正压式空气呼吸器内或狭小密闭空间内的无线送话器1、与所述无线送话器1无线连接的无线语音通信智能控制器2及与所述无线语音通信智能控制器2相连接的对讲机3；所述无线送话器1包括安装在正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的麦克风4及与所述麦克风4信号连接的无线信号处理发射模块5；所述无线语音通信智能控制器2包括与所述无线信号处理发射模块5相适配的无线接收模块6及与所述无线接收模块6信号连接的处理器7，所述对讲机3与所述处理器7信号连接。
在本实施例中，所述处理器7包括与所述无线接收模块6信号连接的音频采集模块8、与所述音频采集模块8信号连接的音频处理模块9、与所述音频处理模块9信号连接的语音发送模块10，所述语音发送模块10与所述对讲机3信号连接。
在本实施例中，所述音频处理模块9包括音频滤波电路、音频补偿电路、音频校正电路和音频识别电路。
在本实施例中，所述麦克风4上设置有吸收低能量的吸音防水膜11。
一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法包括如下步骤：
a、正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的音频经过低能量吸音防水膜11吸收过滤后达到所述麦克风4，所述麦克风4将后续的音频信号通过所述无线信号处理发射模块5全部发送到所述无线语音通信智能控制器2；
b、所述音频采集模块8对所述无线接收模块6接收的信号进行采集，然后所述音频采集模块8再将采集到的音频包发送给所述音频处理模块9，所述音频包包括呼吸声、语音、噪音及各种音频的反射所形成的混响；
c、所述音频处理模块9对音频包进行计算分析校正处理，将语音信号从这些混合信号有效的区分开，最终将保留清晰的语音信号发送至所述语音发送模块10；
d、所述语音发送模块10接收到清晰的语音信号后,自动打开对讲机的语音PTT通话开关，无需手动操作，同时将该语音信号发送给所述对讲机3，并通过所述对讲机3发送出去。
在本实施中，所述音频处理模块9采用语音自动检测算法，所述语音自动检测算法包括如下流程：信号输入→预处理→傅里叶变换→语音与噪声能量计算→VAD判断器→平滑滤波→信号输入，其中在预处理后的信号部分进行过零率计算，再将过零率计算后的数值输送至所述VAD判断器；另外初始化信号进入前帧状态，然后再进行自适应阈值计算和平滑滤波处理，自适应阈值计算再输入能量计算部分和VAD判断器；上述平滑滤波处理后部分信号进入前帧状态部分。
在本实施中，所述预处理包括信号解码、分帧以及利用带通滤波消除由信号采集时造成的噪声。
在本实施中，所述语音自动检测算法需要用到的阈值包括语音信号的最低频率V_Low_Freq、最高频率V_High_Freq；噪声信号的最低频率N_Low_Freq、最高频率N_High_Freq；过零率TH_ZCR；最低语音信号能力TH_Energy。
在本实施中，为了消除检测错误，将前帧信号和当前信号进行平滑滤波处理，处理完之后，进一步更新前帧信号状态，同时将新的状态输入自适应阈值计算模块，重新计算各个阈值。
在本实施例中，所述无线信号处理发射模块5和所述无线接收模块6之间采用2.4G频段跳频技术，避免了其它信号的干扰，再通过一对一的通信方式，有效保证了语音通信的可靠性，不会发生中断和其它干扰。
由于音频信号在狭小密闭复杂结构空间的特性与开放空间截然不同，同一声音显示出不同的特征，如有声音产生时，会检测到直达声、次达声、回音、混响、多次反射、衍射等情况，要在这种条件下捡取所需要的音频信号，难度可想而知，而正压式空气呼吸器个人救援设备的面罩正是这种情况。通过对正压式空气呼吸器面罩内的音频信号的研究发现，人的语音音频信号和设备自身的音频信号及其所产生的回声、混响、噪音等音频有着某些不同的音频特性，经过必要的物理方法处理，再经相应的计算分析校正，就能将语音信号从这些混合信号有效的区分开，这样就可得到我们需要的音频信号。
在自然环境下，空中充满各种频率的无线信号，怎样使它不影响***的使用，我们采用跳频技术,使这一干扰得到有效规避。
防爆性能的要求与声音质量、大小在语音类产品中，始终是矛盾的，如音质好、音量大，则防爆级别就低，满足不了使用需求，甚至达不到防暴要求，在这点上，我们成功的解决了这个矛盾。产品已通过了国家防爆检测中心检验认证（防爆合格证编号：CNEx16.2399，防爆标志：ExibⅡBT4 Gb）。
我们产品正是在我们技术优势的基础上完美的解决了这些问题，同时已在一些消防中队进行了使用，并取得相应的试用报告。
本发明具有如下特点：
1、正真意义上解放双手：采用独特的语音采集、处理等控制技术，无需战斗人员的任何操作，语音通信清晰流畅，从而可以使佩戴此***的人员进入常态下的工作，同时大大提高了现场工作效率。
2、***稳定、抗干扰能力强：***采用2.4G频段，跳频技术，避免了其它信号的干扰，再通过一对一的通信方式，有效的保证了***语音通信的可靠性，不会发生中断和其它干扰。
3、高保证语音传输：独特的DSP音频采集、降噪、回音、音频校正等处理，即使在复杂的环境下，也能保证所发出语音的高品质。
4、使用便捷：微型音频收集装置可在面罩内指定位置安装，小型化的语音控制器可随意佩戴在使用人的身体任何部位，而不影响使用人的正常工作。
5、兼容性强：可与Motorola、 Kenwood、ICOM、HYT、YSON等绝大多数对讲机进行连接。
6、全封闭设计：杜绝灰尘、水或水汽进入设备内部，有效保证设备的安全可靠性。
7、独特的无线充电器设计：使得充电更加便捷，无需担忧充电效果。
8、具有安全、易用、无需维护、携带方便、防爆、性能稳定等优点。
9、能和所有正压式空气呼吸器配套使用。
本发明应用于语音识别控制装置的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置，其特征在于：所述一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置包括安装在正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的无线送话器（1）、与所述无线送话器（1）无线连接的无线语音通信智能控制器（2）及与所述无线语音通信智能控制器（2）相连接的对讲机（3）；所述无线送话器（1）包括安装在正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的麦克风（4）及与所述麦克风（4）信号连接的无线信号处理发射模块（5）；所述无线语音通信智能控制器（2）包括与所述无线信号处理发射模块（5）相适配的无线接收模块（6）及与所述无线接收模块（6）信号连接的处理器（7），所述对讲机（3）与所述处理器（7）信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置，其特征在于：所述处理器（7）包括与所述无线接收模块（6）信号连接的音频采集模块（8）、与所述音频采集模块（8）信号连接的音频处理模块（9）、与所述音频处理模块（9）信号连接的语音发送模块（10），所述语音发送模块（10）与所述对讲机（3）信号连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置，其特征在于：所述音频处理模块（9）包括音频滤波电路、音频补偿电路、音频校正电路和音频识别电路。
4.根据权利要求3所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置，其特征在于：所述麦克风（4）上设置有吸收低能量的吸音防水膜（11）。
5.一种如权利要求4所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：该语音识别控制方法包括如下步骤：
a、正压式空气呼吸器面罩内或狭小密闭空间内的音频经过吸收低能量的吸音防水膜（11）吸收过滤后达到所述麦克风（4），所述麦克风（4）将后续的音频信号通过所述无线信号处理发射模块（5）全部发送到所述无线语音通信智能控制器（2）；
b、所述音频采集模块（8）对所述无线接收模块（6）接收的信号进行采集，然后所述音频采集模块（8）再将采集到的音频包发送给所述音频处理模块（9），所述音频包包括呼吸声、语音、噪音及各种音频的反射所形成的混响；
c、所述音频处理模块（9）对音频包进行计算分析校正处理，将语音信号从这些混合信号有效的区分开，最终将保留清晰的语音信号发送至所述语音发送模块（10）；
d、所述语音发送模块（10）接收到清晰的语音信号后，自动打开所述对讲机（3）的语音PTT通话开关，无需手动操作，并将该语音通过所述对讲机（3）发送出去。
6.根据权利要求5所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：所述音频处理模块（9）采用语音自动检测算法，所述语音自动检测算法包括如下流程：信号输入→预处理→傅里叶变换→语音与噪声能量计算→VAD判断器→平滑滤波→信号输入，其中在预处理后的信号部分进行过零率计算，再将过零率计算后的数值输送至所述VAD判断器；另外初始化信号进入前帧状态，然后再进行自适应阈值计算和平滑滤波处理，自适应阈值计算再输入能量计算部分和VAD判断器；上述平滑滤波处理后部分信号进入前帧状态部分。
7.根据权利要求6所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：所述预处理包括信号解码、分帧以及利用带通滤波消除由信号采集时造成的噪声。
8.根据权利要求6所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：所述语音自动检测算法需要用到的阈值包括语音信号的最低频率V_Low_Freq、最高频率V_High_Freq；噪声信号的最低频率N_Low_Freq、最高频率N_High_Freq；过零率TH_ZCR；最低语音信号能力TH_Energy。
9.根据权利要求7所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：为了消除检测错误，将前帧信号和当前信号进行平滑滤波处理，处理完之后，进一步更新前帧信号状态，同时将新的状态输入自适应阈值计算模块，重新计算各个阈值。
10.根据权利要求5所述的一种用于正压式空气呼吸器和狭小密闭空间的语音识别控制装置的语音识别控制方法，其特征在于：所述无线信号处理发射模块（5）和所述无线接收模块（6）之间采用2.4G频段跳频技术，避免了其它信号的干扰，再通过一对一的通信方式，有效保证了语音通信的可靠性，不会发生中断和其它干扰。
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