基于語音識別的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1649基于語音識別的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析案例 1302981.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1154441.1.1系統(tǒng)登錄功能 176701.1.2語音交互功能 2164641.1.3路徑導(dǎo)航功能 576001.1.4信息查詢功能 8106781.1.5音樂播放功能 1112491.1.6系統(tǒng)設(shè)置功能 13293451.2語音識別實(shí)現(xiàn)原理 161.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.1.1系統(tǒng)登錄功能打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)的界面，系統(tǒng)需要驗(yàn)證駕駛員輸入的登錄信息，并將登錄信息和服務(wù)端信息進(jìn)行匹配，從而為系統(tǒng)的安全性提供有力保證，同時(shí)可以進(jìn)一步保存用戶習(xí)慣，以便優(yōu)化用戶體驗(yàn)。在車載導(dǎo)航系統(tǒng)完成初始化以后，駕駛員需要先登錄，登錄方式有兩種，一種是通過手機(jī)號碼和密碼進(jìn)行登錄，另一種是使用手機(jī)號和短信驗(yàn)證碼的方式登錄。登錄功能的類圖如圖18所示。圖18系統(tǒng)登錄類圖本系統(tǒng)在登錄時(shí)輸入的用戶名和密碼，必須和服務(wù)端的信息一致，服務(wù)端對應(yīng)的服務(wù)器會對用戶輸入的用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，由于手機(jī)號就是用戶名，因此登錄時(shí)就不需要在額外的設(shè)置注冊入口，只需要登錄時(shí)在車載設(shè)備中對駕駛員身份進(jìn)行驗(yàn)證。登錄的時(shí)序圖如圖19所示。圖19系統(tǒng)登錄時(shí)序圖根據(jù)系統(tǒng)登錄時(shí)序圖分析可知，駕駛員在使用密碼登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用usePwdLogin()方法執(zhí)行登錄，DriverLoginService司機(jī)登錄服務(wù)類調(diào)用findDriverByPhoneNumAndPwd()方法，根據(jù)手機(jī)號碼和密碼來進(jìn)行查詢，DriverLoginMapper映射器返回查詢結(jié)果，DriverLoginService司機(jī)登錄服務(wù)類判斷返回的密碼和輸入密碼是否一致，最后進(jìn)行系統(tǒng)登錄結(jié)果的消息通知。如果駕駛員選擇的是使用短信驗(yàn)證碼登錄這一方法來進(jìn)行登錄操作，則業(yè)務(wù)邏輯與上文類似。系統(tǒng)調(diào)用useRandomCodeLogin()方法執(zhí)行登錄，DriverLoginService司機(jī)登錄服務(wù)類調(diào)用findRandomCodeByPhoneNum()方法，當(dāng)然此時(shí)該方法是去緩存中查詢驗(yàn)證碼，隨后DriverLoginMapper司機(jī)登錄服務(wù)類判斷驗(yàn)證碼與輸入值是否一致，最后再返回登錄結(jié)果。1.1.2語音交互功能語音交互功能為駕駛員和車載導(dǎo)航系統(tǒng)交互提供了有效支持，是本系統(tǒng)的核心功能。語音交互功能包含喚醒和語音識別、自然語言處理等環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求內(nèi)容，得出了語音交互類圖如下圖20所示。圖20語音交互類圖在語音交互類圖中，包含BaseController基類、ASRController語音識別類、ASRImpl語音識別接口實(shí)現(xiàn)類、ASRService語音識別服務(wù)接口類、ASRInfoMapper語音識別適配接口類、NLPController自然語言處理類、NLPService自然語言處理服務(wù)接口類、NLUController自然語言理解類。ASRController語音識別類具備speechPreprocess()語音預(yù)處理、featureExtraction()特征提取、speechDecoding()語音解碼、textOutput()文本輸出等方法。ASRImpl語音識別接口實(shí)現(xiàn)類實(shí)現(xiàn)了語音識別接口，為語音識別提供有效支持。ASRService語音識別服務(wù)接口類和ASRInfoMapper語音識別適配接口類是ASRImpl語音識別接口實(shí)現(xiàn)類的接口規(guī)范。NLPController自然語言處理類是實(shí)現(xiàn)自然語言處理的主體類，所包含的方法如下：wordSegmentation()自動分詞、partOfSpeechTagging()詞性標(biāo)注、parsing()句法分析和featureSelect()特征選擇等，NLPController自然語言處理類實(shí)現(xiàn)了NLPService自然語言處理服務(wù)接口。NLUController自然語言理解類負(fù)責(zé)處理NLPController自然語言處理類反饋的信息實(shí)現(xiàn)意圖分析，包含了intendedAcceptance()意圖接收、intentionRecognition()意圖識別、intentionFeedback()意圖反饋等方法。語音交互功能時(shí)序圖如圖21所示。圖21語音交互時(shí)序圖根據(jù)遠(yuǎn)程語音交互的時(shí)序圖分析可以得出，當(dāng)ASRController語音識別類執(zhí)行speechPreprocess()語音預(yù)處理后，再執(zhí)行特征提取featureExtraction()、語音解碼speechDecoding()、文本輸出textOutput()，之后向NLPController自然語言處理類提交NLP處理請求，NLPController自然語言處理類執(zhí)行自動分詞wordSegmentation()、詞性標(biāo)注partOfSpeechTagging()、特征選擇featureSelect()方法。隨后NLUController自然語言理解類在執(zhí)行intendedAcceptance()意圖接收后，進(jìn)行intentionRecognition()意圖識別，最后進(jìn)行intentionFeedback()意圖反饋。以歌曲搜索為例，該功能活動圖如圖22所示。圖22歌曲搜索活動圖由圖22歌曲搜索功能活動圖分析可得，駕駛員有歌曲搜索需求，打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)送語音指令“打開歌曲列表”，系統(tǒng)根據(jù)語音指令顯示歌曲列表，然后發(fā)送語音指令“播放消愁”，判斷歌曲列表是否有此歌曲，無此歌曲則提示“無此歌曲”結(jié)束流程，有此歌曲則連接播放器，播放此歌曲結(jié)束流程。1.1.3路徑導(dǎo)航功能在車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航模塊的開發(fā)至關(guān)重要。路徑導(dǎo)航功能包含了線路查詢、地點(diǎn)標(biāo)記、線路糾正、地圖縮放、周邊搜索等功能。根據(jù)路徑導(dǎo)航功能需求細(xì)節(jié)，得出了路徑導(dǎo)航功能類圖，如圖23所示。圖23路徑導(dǎo)航類圖路徑導(dǎo)航類圖中包含了：NavigationController導(dǎo)航類、NavigationImpl導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)類、NavigationService導(dǎo)航服務(wù)接口類、LocationMapper定位適配接口類、PerimeterSearchMapper周邊搜索類、PathPlanningMapper路徑計(jì)劃適配類，以及NaviRecord導(dǎo)航記錄類等。NavigationController導(dǎo)航類提供導(dǎo)航支持，包含getPosition()獲取定位、startNavigation()開始導(dǎo)航、stopNavigation()結(jié)束導(dǎo)航等方法。NavigationImpl導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航的核心類，是實(shí)現(xiàn)車載導(dǎo)航功能的主體，實(shí)現(xiàn)了NavigationService導(dǎo)航服務(wù)接口和LocationMapper定位適配接口類。NavigationService導(dǎo)航服務(wù)類規(guī)定了導(dǎo)航服務(wù)的功能實(shí)現(xiàn)規(guī)范。LocationMapper定位適配接口類規(guī)定了定位功能的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。PerimeterSearchMapper周邊搜索類能夠?qū)崿F(xiàn)周邊搜索功能，包含zoomInMap()、zooOutMap()放大和縮小地圖和findByPlace()搜索位置方法。PathPlanningMapper路徑計(jì)劃適配類實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能，包含setStartingPiont()設(shè)置起點(diǎn)、setEndingPiont()設(shè)置終點(diǎn)、checkLine()查詢線路等方法。NaviRecord導(dǎo)航記錄類用于記錄導(dǎo)航記錄數(shù)據(jù)。路徑導(dǎo)航功能的時(shí)序圖如圖24所示。圖24路徑導(dǎo)航時(shí)序圖根據(jù)路徑導(dǎo)航時(shí)序圖分析可知，系統(tǒng)通過NavigationService導(dǎo)航服務(wù)類的initNavigation()方法進(jìn)行導(dǎo)航的初始化，通過LocationMapper定位適配接口類的getPosition()方法實(shí)現(xiàn)獲取定位，之后返回定位結(jié)果，在完成驗(yàn)證本地搜索結(jié)果后，通過PathPlanningMapper路徑計(jì)劃適配類的findByStartingAndEnding()方法實(shí)現(xiàn)獲取路線規(guī)劃，之后返回結(jié)果。在用戶執(zhí)行驗(yàn)證初篩后，返回可選路線。系統(tǒng)通過NavigationService導(dǎo)航服務(wù)類的startNavigation()方法，來確認(rèn)路線并開始導(dǎo)航，LocationMapper定位適配接口類通過contrastPosition()方法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位更新，之后返回定位結(jié)果。在執(zhí)行PathPlanningMapper路徑計(jì)劃適配類的checkLine()檢查路線方法后，返回校正通知，界面通知回顯和進(jìn)行播報(bào)。本系統(tǒng)中線路查詢功能活動圖如圖25所示。圖25路徑查詢活動圖駕駛員有線路查詢需求，打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)送語音指令“定位”或“導(dǎo)航”，進(jìn)入導(dǎo)航系統(tǒng)，顯示駕駛員當(dāng)前位置，此時(shí)可以直接發(fā)送語音指令，說出目的地。系統(tǒng)會持續(xù)監(jiān)聽，判斷駕駛員是否已發(fā)出語音指令，未發(fā)出則語音提示“你好像沒有說話，請?jiān)僬f一次”結(jié)束流程，已發(fā)出則根據(jù)語音指令顯示當(dāng)前位置到目的地的線路和距離。1.1.4信息查詢功能信息查詢包含路況查詢和查詢天氣功能，其中路況查詢包含最優(yōu)路徑查詢和擁堵路線查詢，查詢天氣包含指定地點(diǎn)查詢、指定時(shí)間查詢、空氣質(zhì)量查詢、風(fēng)力查詢、空氣濕度查詢功能。天氣查詢支持通過時(shí)間和地點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行查詢，缺省的時(shí)候時(shí)間就是“今天”，地點(diǎn)就是駕駛員定位所在地。信息查詢模塊類圖如下圖26所示。圖26信息查詢類圖以駕駛員查詢天氣為例，他有可能查詢當(dāng)?shù)靥鞖猓灿锌赡懿樵冎付ǖ攸c(diǎn)的天氣；有可能查詢當(dāng)天的天氣，也有肯能查詢指定日期的天氣。當(dāng)駕駛員沒有指定地點(diǎn)時(shí)，則默認(rèn)查詢駕駛員定位所在地的天氣；當(dāng)駕駛員沒有指定日期時(shí)，則默認(rèn)查詢當(dāng)天的天氣。根據(jù)信息查詢模塊的類圖進(jìn)行分析可得出，信息查詢模塊類圖中包含了TrafficInfoSearhController路況信息查詢類、TrafficInfoSearchService路況信息查詢服務(wù)接口類、WeatherInfoSearhController天氣信息查詢類、WeatherMapper天氣信息適配類、Weather類組成。TrafficInfoSearhController路況信息查詢是路況信息查詢功能實(shí)現(xiàn)的主體，包含queryTrafficInfo()路況信息查詢方法。TrafficInfoSearchService路況信息查詢服務(wù)接口規(guī)范了路況信息查詢功能實(shí)現(xiàn)的規(guī)范。WeatherInfoSearhController天氣信息查詢類是實(shí)現(xiàn)天氣信息查詢的核心主體，包含queryLocalWeather()當(dāng)?shù)匦畔⒉樵?、queryRemoteWeather()遠(yuǎn)程信息查詢方法。WeatherMapper天氣信息適配類用于天氣信息的管理，Weather天氣類存儲天氣基本信息，包含setWeather()設(shè)置天氣方法。信息查詢時(shí)序圖如圖27所示。圖27信息查詢時(shí)序圖根據(jù)信息查詢時(shí)序圖分析可知，通過WeatherInfoSearhController天氣信息查詢類的queryLocalWeather()查詢天氣方法執(zhí)行具體查詢操作，在判斷意圖后，通過WeatherMapper天氣信息適配類完成查詢后，返回天氣信息。在驗(yàn)證成功后，通過WeatherMapper天氣信息適配類的saveWeather()更新天氣方法完成天氣更新，最后返回查詢結(jié)果。系統(tǒng)會先判斷用戶口令中是否是查詢當(dāng)前位置。如果是，則直接定位后查詢當(dāng)?shù)靥鞖獠⒎祷刂疗聊簧?；如果不是，則會根據(jù)用戶所指定的地點(diǎn)去查詢天氣信息，隨后返回至屏幕。無論哪類情況最終都會統(tǒng)一使用語音播報(bào)再次返回查詢結(jié)果?；谡Z音識別的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中天氣查詢的功能活動圖如圖28所示。圖28天氣查詢活動圖由天氣查詢功能活動圖分析可得，駕駛員需要查看天氣，打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)，點(diǎn)擊天氣圖標(biāo)，進(jìn)入天氣查詢界面，語音播報(bào)當(dāng)前所在地天氣信息，點(diǎn)擊語音麥克風(fēng)，說出地點(diǎn)，判斷是否已發(fā)出語音指令，未發(fā)出則語音提示“你好像沒有說話，請?jiān)僬f一次”結(jié)束流程，已發(fā)出則根據(jù)語音指令，顯示地點(diǎn)對應(yīng)的天氣信息，最后語音播報(bào)對應(yīng)的天氣信息結(jié)束流程。1.1.5音樂播放功能車載導(dǎo)航系統(tǒng)包含音樂播放功能，音樂播放功能中包含播放管理、歌曲搜索、歌曲手冊、歌單管理、音樂服務(wù)管理功能。根據(jù)音樂播放功能需求內(nèi)容，得出音樂播放類圖如下圖29所示。圖29播放音樂類圖根據(jù)播放音樂類圖分析可知，播放音樂類圖包含MusicPlayerController音樂播放器、MusicPlayerImpl音樂播放器實(shí)現(xiàn)、MusicPlayerService音樂播放器服務(wù)接口、MusicPlayingMapper音樂播放適配、PlaylistMapper歌單適配、FavoritesMapper音樂收藏、Music音樂類組成。MusicPlayerController音樂播放器類為音樂播放提供支撐，包含playASong()播放音樂、addToFavoires()收藏音樂方法。MusicPlayerImpl音樂播放器實(shí)現(xiàn)類是實(shí)現(xiàn)音樂播放的主體，實(shí)現(xiàn)了MusicPlayerService音樂播放器服務(wù)接口、FavoritesMapper音樂收藏類、PlaylistMapper歌單適配、FavoritesMapper音樂收藏三個(gè)接口類，為MusicPlayerImpl音樂播放器實(shí)現(xiàn)類的功能實(shí)現(xiàn)定義規(guī)范。MusicPlayingMapper音樂播放適配能夠?qū)崿F(xiàn)音樂播放功能，包含search()搜索、play()播放、suspend()暫停、next()下一曲、last()上一曲、fastForward()快進(jìn)等方法。Music音樂類存儲音樂信息，包含音樂基本屬性和getMusicName()獲取歌曲名等方法。音樂播放時(shí)序圖如圖30所示。圖30音樂播放時(shí)序圖根據(jù)音樂播放時(shí)序圖分析可知，MusicPlayerService音樂播放器服務(wù)接口類通過playASong()執(zhí)行歌曲播放，MusicPlayingMapper音樂播放適配類通過search()執(zhí)行本地搜索，顯示本地搜索結(jié)果，如未找到則執(zhí)行proxySearch()云端搜索，之后執(zhí)行歌曲下載，然后通過play()執(zhí)行歌曲播放。通過執(zhí)行addToFavoires()方法后將歌曲加入收藏夾，調(diào)用FavoritesMapper音樂收藏類的findByFavoiresName()歌曲歌名搜索歌曲方法，如歌曲存在則調(diào)用add()方法將歌曲添加至收藏夾，然后通知收藏結(jié)果?；谡Z音識別的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中音樂收藏功能活動圖如圖31所示。圖31音樂收藏活動圖由圖31音樂收藏功能活動圖分析可得，駕駛員有歌曲搜索需求，打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)送語音指令“打開歌曲列表”，系統(tǒng)根據(jù)語音指令顯示歌曲列表，勾選歌曲，點(diǎn)擊收藏按鈕，判斷是否已建立收藏夾，未建立則提示未建立收藏夾結(jié)束流程，已建立則彈出收藏夾列表，選擇收藏夾，點(diǎn)擊確定按鈕提示加入收藏夾成功，結(jié)束流程。1.1.6系統(tǒng)設(shè)置功能車載導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有大量配置信息，為提高這些配置信息的管理效率，車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)設(shè)置功能。系統(tǒng)設(shè)置功能包含語言設(shè)置、區(qū)域設(shè)置、wifi設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、賬號設(shè)置等方法。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)置需求，得出系統(tǒng)設(shè)置類圖如圖32所示。圖32系統(tǒng)設(shè)置類圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置類圖分析可知，系統(tǒng)設(shè)置類圖中包含SetUpController設(shè)置、SetUpImpl設(shè)置實(shí)現(xiàn)、SetUpService設(shè)置服務(wù)、SetUpBasicInfoMapper基礎(chǔ)設(shè)置適配、SetUpLanguageMapper語言設(shè)置適配、SetUpTimeMapper時(shí)間適配、SetUpWifiMapperWifi設(shè)置適配、Driver司機(jī)類。SetUpController設(shè)置為系統(tǒng)設(shè)置提供支持，包含各類設(shè)置方法。SetUpImpl設(shè)置實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)的核心，實(shí)現(xiàn)了SetUpService設(shè)置服務(wù)類。SetUpService設(shè)置服務(wù)為系統(tǒng)設(shè)置功能定義了功能規(guī)范。SetUpBasicInfoMapper基礎(chǔ)設(shè)置適配是系統(tǒng)設(shè)置功能實(shí)現(xiàn)的主體。SetUpLanguageMapper語言設(shè)置適配類用于語言的設(shè)置，包含getLanguageList()獲取語言列表、save()保存等方法。SetUpTimeMapper時(shí)間適配類實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置，包含getNowTime()獲取當(dāng)前時(shí)間、save()保存等方法。SetUpWifiMapperWifi設(shè)置適配類用于Wifi的設(shè)置，包含findByWifiId()根據(jù)wifiID查詢和save()保存方法。Driver司機(jī)類記錄司機(jī)基本信息，包含司機(jī)的各類屬性、setNickName0設(shè)置昵稱和setPasswd()設(shè)置密碼等方法。通過左滑播放界面駕駛員打開系統(tǒng)設(shè)置界面，上下滑動鎖定位置。在選擇語言設(shè)置后，中文和英文兩個(gè)選項(xiàng)會自動彈出。客戶選擇好后重啟客戶端。通過系統(tǒng)的語言重新設(shè)置來設(shè)置應(yīng)用程序語言。在對區(qū)域設(shè)置選擇后跳轉(zhuǎn)選擇區(qū)域的頁面，會呈現(xiàn)出全球國家地區(qū)的相關(guān)信息，這些信息全部出自本地存儲的JSON文件。要想把區(qū)域信息在多語言環(huán)境中準(zhǔn)確甄別，身份代碼、國家代碼和城市代碼都在本地?cái)?shù)據(jù)中進(jìn)行應(yīng)用。在對屏保設(shè)置選擇后跳轉(zhuǎn)屏保選擇頁面，把各種信息呈現(xiàn)給駕駛員。系統(tǒng)設(shè)置時(shí)序圖如圖33所示。圖33系統(tǒng)設(shè)置時(shí)序圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)序圖分析可知，SetUpService設(shè)置服務(wù)類首先執(zhí)行setUpBasicInfo()設(shè)置基本信息方法，通過SetUpBasicInfoMapper基礎(chǔ)設(shè)置適配類執(zhí)findByAid()查詢是否已更新，然后返回查詢結(jié)果。在完成驗(yàn)證后，調(diào)用SetUpBasicInfoMapper基礎(chǔ)設(shè)置適配類的save()方法執(zhí)行保存操作，然后返回成功通知，顯示消息通知?；谡Z音識別的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中語言設(shè)置功能活動圖如圖34所示。圖34語言設(shè)置活動圖由該活動圖分析可得，駕駛員有語言設(shè)置需求，打開車載導(dǎo)航系統(tǒng)，點(diǎn)擊語音設(shè)置按鈕，加載當(dāng)前語言。點(diǎn)擊語言下拉框，選擇語言，判斷是否成功，失敗則提示設(shè)置失敗結(jié)束流程，成功則提示設(shè)置成功結(jié)束流程。1.2語音識別實(shí)現(xiàn)原理語音識別實(shí)現(xiàn)過程包含喚醒、ASR聲音轉(zhuǎn)文字、NLP語義判斷、NLU意圖判斷四個(gè)過程，以下對語音識別實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行說明：（1）喚醒喚醒，就是通過端點(diǎn)檢測技術(shù)（VoiceActivityDetection，簡稱VAD），來做音頻中語音區(qū)域的劃分，即界定是不是人在說話。當(dāng)不在喚醒狀態(tài)時(shí)，程序會認(rèn)為沒有人說話，就不會激活識別，此時(shí)聽到的一切聲音都會被忽略；當(dāng)喚醒后，程序認(rèn)為是人在說話，就進(jìn)行識別。傳統(tǒng)的端點(diǎn)檢測是基于閾值的方法，目前較先進(jìn)的是基于模型的方法?；陂撝档亩它c(diǎn)檢測：根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)可以估算出音頻中噪聲的大小，即默認(rèn)在一定場景中，噪聲信號的大小是不變的。而隨著輸入音頻中正常信號的波動，信噪比也會產(chǎn)生變化。當(dāng)信噪比大于閾值時(shí)，我們認(rèn)為此時(shí)的音頻信號為語音，當(dāng)信噪比小于閾值時(shí)，我們認(rèn)為此時(shí)的音頻信號是非語音。這就是基于閾值的端點(diǎn)檢測技術(shù)。這種方式的弊端就是誤差較大，導(dǎo)致語音識別不夠準(zhǔn)確。基于模型的端點(diǎn)檢測：訓(xùn)練出一個(gè)二元分類的模型，事先準(zhǔn)備海量的音頻數(shù)據(jù)，這些音頻均做過標(biāo)注，哪些部分是語音，哪些