如何利用TinyML實(shí)現(xiàn)語音識別機(jī)器人車的設(shè)計(jì)

在本文中，我將在 Wio 終端上制作一個(gè)帶有內(nèi)置麥克風(fēng)的聲控機(jī)器人車，以通過 TinyML 識別行駛、停止和背景噪音。

使用由 Edge Impulse 提供支持的 Codecraft 訓(xùn)練了一個(gè)喚醒詞識別模型！

在這篇詳細(xì)的博客文章中，我將介紹以下內(nèi)容：

什么是 UART 串??行通信？

Wio終端和uKit之間的UART串行通信探索

1.0 使用 Codecraft 訓(xùn)練嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型

2.0 Arduino文本代碼修改

3.0 對機(jī)器人汽車進(jìn)行編程（uKit 探索 - 基于 Arduino Mega 2560）

4.0 預(yù)期結(jié)果

什么是 UART 串??行通信？

通俗地說，UART 允許嵌入式設(shè)備（例如 Arduino）通過 TX（發(fā)送）和 RX（接收）線將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè) Arduino，如下所示。

舉一個(gè)具體的例子：

Arduino UNO 沒有內(nèi)置的 WiFi，因此不可能做 IOT 相關(guān)的項(xiàng)目。通過了解基本的 UART 串??行通信，我能夠利用ESP8266/ESP32作為 Arduino UNO 的協(xié)處理器，以便從連接到 Arduino UNO 的傳感器收集的數(shù)據(jù)將發(fā)送到 ESP8266/ESP32 發(fā)送轉(zhuǎn)移到云平臺(tái)，例如 Web 服務(wù)器、Blynk 或 FAVORIOT。

Wio終端和uKit之間的UART串行通信探索

Wio 終端的 TX 和 RX 引腳在引腳 8和10上可用。

TXD - 引腳 8

RXD - 引腳 10

而對于 uKit Explore，引腳 D0 和 D1 上也有可用的 TX/RX 引腳。您可以在此處查看完整的 uKit 探索引腳排列

RX0 - D0

TX0 - D1

對于硬件連接，基本上，您只需要如下連接：

Wio 終端（引腳 8）到 uKit 探索（引腳 0） - TXD 到 RXD

Wio 終端（引腳 10）到 uKit 探索（引腳 1） - RXD 到 TXD

我將詳細(xì)解釋軟件編程如何在 3.0 Program the Robot Car（uKit Explore - Arduino Mega 2560 based）上完成。

第 1 步：使用 Codecraft 訓(xùn)練嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型

在第一部分中，我們的目標(biāo)是使用 Codecraft 平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型（語音識別）。

使用 Codecraft 訓(xùn)練嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)模型涉及 4 個(gè)步驟。

1.創(chuàng)建“喚醒詞識別（內(nèi)置麥克風(fēng)）”模型

2.數(shù)據(jù)采集（車載）

3.培訓(xùn)和部署

4.編程與模型使用

創(chuàng)建“喚醒詞識別（內(nèi)置麥克風(fēng)）”模型轉(zhuǎn)到https://ide.tinkergen.com/。選擇“（對于 TinyML）Wio 終端”。

點(diǎn)擊左中嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)框上的“模型創(chuàng)建”。然后選擇“Wake-Up Words Recognition（內(nèi)置麥克風(fēng)）”，如下圖。根據(jù)需求輸入模型名稱。

點(diǎn)擊確定，窗口會(huì)自動(dòng)切換到“數(shù)據(jù)采集”界面。

第 2 步：數(shù)據(jù)采集（車載）

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為您創(chuàng)建 3 個(gè)默認(rèn)標(biāo)簽（hi wio、background 和其他詞）。

除非您想為標(biāo)簽使用不同的名稱，否則您可以不加任何更改地使用它。就我而言，我更改了兩個(gè)默認(rèn)標(biāo)簽，如下所示：

hi wio 刪掉

其他詞改成停止

重要提示：現(xiàn)在，您必須記住更改默認(rèn)數(shù)據(jù)采集程序上的標(biāo)簽以反映正確的修改標(biāo)簽

連接 Wio 終端和上傳數(shù)據(jù)采集程序。

注意：您需要下載“ Codecraft Assistant ”才能在Codecraft在線IDE上連接和上傳代碼。

數(shù)據(jù)采集??：在右上角的超鏈接中，您將找到數(shù)據(jù)采集的分步介紹。按照說明根據(jù)修改后的標(biāo)簽收集數(shù)據(jù)。

第 3 步：培訓(xùn)和部署

點(diǎn)擊“Training & Deployment”，您將看到如下圖所示的模型訓(xùn)練界面。

選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)。選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大?。盒　⒅?、大

設(shè)置參數(shù)：

訓(xùn)練周期數(shù)（正整數(shù)），

學(xué)習(xí)率（從 0 到 1 的數(shù)字）

最小置信度（從 0 到 1 的數(shù)字）

接口提供了50個(gè)訓(xùn)練周期的默認(rèn)參數(shù)值，但是準(zhǔn)確度不是很好。因此，我將訓(xùn)練周期更改為 100。

點(diǎn)擊“開始訓(xùn)練”。單擊“開始訓(xùn)練”時(shí)，窗口將顯示“正在加載?！?！等待訓(xùn)練完成！

觀察模型性能以選擇理想模型。在“模型訓(xùn)練報(bào)告”窗口中，您可以觀察訓(xùn)練結(jié)果，包括模型的準(zhǔn)確率、損失和性能。

在“模型訓(xùn)練報(bào)告”窗口中，點(diǎn)擊“模型部署”。部署完成后，單擊“確定”進(jìn)入“編程”窗口，這是我們將模型部署到 Wio 終端之前的最后一步。

第 4 步：編程和模型使用

好的，現(xiàn)在我們完成了使用 UART通信協(xié)議將人工智能（在本例中為機(jī)器學(xué)習(xí)）與機(jī)器人（機(jī)器人汽車）集成的模型和有趣的部分。

這是從塊編程接口創(chuàng)建的示例程序：

我們使用 if-else 條件語句來評估標(biāo)簽的置信度。

如果“go”的置信度大于0.8（80%），我會(huì)在串口終端打印“1”。

如果“停止”的置信度大于 0.8（80%），我會(huì)在串口終端上打印“2”。

否則，如果“背景”的置信度大于0.8（80%），我會(huì)在串口終端上打印“0”。

好的，所以現(xiàn)在，只需記住 3 個(gè)不同的條件：

“go” 》 0.8，命令為 ‘1’

“停止”》 0.8，命令為“2”

“背景”。命令是‘0’

2.0 Wio終端Arduino文本代碼修改

好的，所以請注意以下兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@將是我們項(xiàng)目的關(guān)鍵部分！

您可以從 Wio Temrinal 的 40 針接頭訪問的串行線是 Serial1，而不是通常的 Serial，后者基本上通過串行終端顯示輸出。

我們在引腳 8 和 10 上提供了 TX/RX 引腳，可用于連接到另一塊電路板（本例中為 uKit 探索）。

如果我們查看相應(yīng)塊代碼的文本編碼，您會(huì)注意到 Serial.print 沒有使用 Serial1 行。因此，這導(dǎo)致我們進(jìn)入第二步，即繼續(xù)在 Arduino IDE 上進(jìn)行編碼以進(jìn)行定制。

切換到文本代碼區(qū)域并復(fù)制文本代碼

在文本代碼區(qū)域，按 CTRL + A 復(fù)制所有代碼以選擇所有代碼。

打開 Arduino IDE，創(chuàng)建一個(gè)新文件，按 CTRL+V 將代碼粘貼到空草圖中。繼續(xù)以所需名稱保存草圖。

復(fù)制 Edge Impulse TinyML Arduino 庫

導(dǎo)航到 C：\Users\《User_Name》\AppData\Local\Programs\cc-assistant\resources\compilers\Arduino\contents\libraries

找到與 Arduino 文本代碼頂部的 Edge Impulse 頭文件具有相同編號的文件夾名稱（在我的情況下為 47606）。

復(fù)制整個(gè) ei-project_47606 文件夾并將其粘貼到 C：\Users\《User_Name》\Documents\Arduino\libraries\

修改 Serial.println 函數(shù)

改為將 Serial.println 函數(shù)修改為 Serial1.println。

上傳代碼

確保您已安裝 Wio 端子板支持包。如果沒有，請參閱Seeed Wiki 上的“ Wio 終端入門”指南。

在將代碼上傳到 Wio 終端之前，請確保選擇了正確的板和 COM 端口。

第 4 步：對機(jī)器人汽車進(jìn)行編程（uKit 探索 - 基于 Arduino Mega 2560）

我們將對基于 uKit Explore 的 Robot Car 進(jìn)行編程。

uKit 簡介探索

讓我讓您了解一下這個(gè) uKit Explore 的內(nèi)容。

uKit Explore 是 UBTECH Robotics 制造的機(jī)器人套件，它基于 Arduino 生態(tài)系統(tǒng)（芯片組為 Arduino 2560）。

“uKit Explore 有一個(gè)主控箱，配備 Arduino 開源平臺(tái)，提供來自全球用戶貢獻(xiàn)的大量電子和編程學(xué)習(xí)資源?！?/p>

編程 uKit Explore 以讀取 UART 數(shù)據(jù)

現(xiàn)在，我們需要對 Robo Car 進(jìn)行編程，使其在收到來自 Wio Terminal 的命令“1”、“2”和“0”時(shí)根據(jù)不同的條件采取行動(dòng)。

這里的關(guān)鍵概念是，如果它包含任何數(shù)據(jù)，我們將需要讓 uKit Explore繼續(xù)偵聽串行線。如果它確實(shí)包含串行數(shù)據(jù)，則串行讀取數(shù)據(jù)并將其分配給一個(gè)變量。最后一步是我們將比較變量并執(zhí)行不同的操作。

對于我們的案例，當(dāng) uKit 探索

收到命令“1”（go），RoboCar 將向前移動(dòng)；

收到命令‘2’（停止），它將停止；

收到命令‘0’（背景），它也會(huì)停止。

上傳代碼

最后，我們將代碼上傳到板上。與往常一樣，請確保在上傳之前選擇了正確的板和 COM 端口。

最后，Robo Car 可以通過語音“go，go，go”激活，并通過“stopppps.。。。”或“background”停止。達(dá)到我們想要的目標(biāo)！