具身智能是一種將智能與物理實(shí)體深度融合的人工智能形態(tài)，強(qiáng)調(diào)智能行為既依賴智能體自身算力，更離不開其與環(huán)境的感知交互。在具身智能體與人類交互方面，自然語言是極為直觀且高效的溝通方式。

大語言模型（LLM）憑借卓越的自然語言理解、生成與推理能力，與具身智能結(jié)合，人類可經(jīng)語音智能體發(fā)出指令、提出問題或者表達(dá)需求，LLM 能處理理解語言信息并生成回復(fù)，還可以將用戶指令解析為具體動(dòng)作或任務(wù)目標(biāo)，助力具身智能體精準(zhǔn)把握人類意圖并協(xié)同工作。

我們利用 MATLAB 開發(fā)了一個(gè)簡易智能助手，實(shí)現(xiàn)了基于語音的人機(jī)交互。下面的視頻將展示該語音助手如何被喚醒，以及它如何應(yīng)答用戶提問和接收指令以操控電機(jī)開關(guān)。

系統(tǒng)概況

下圖展示了該智能助手簡要的工作流程：它通過監(jiān)聽環(huán)境并檢測(cè)觸發(fā)詞來被喚醒，之后調(diào)用語音轉(zhuǎn)文本模型將用戶語音轉(zhuǎn)化為文本，通過文本判斷是否為用戶指令：若為指令，則將其轉(zhuǎn)化為控制信息發(fā)送至硬件執(zhí)行；若非指令，則調(diào)用LLM生成相應(yīng)的回復(fù)；最后，通過文本轉(zhuǎn)語音模型將回復(fù)文本轉(zhuǎn)化為語音并播放。

本文將展示如何在 MATLAB 中構(gòu)建這樣一個(gè)語音助手，以及 MATLAB 在智能應(yīng)用快速原型方面的如下能力：

用戶界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

語音信號(hào)采集與處理

Python 模型集成

大語言模型支持

硬件控制與代碼部署

用戶界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MATLAB 提供一個(gè)用于設(shè)計(jì)和編程 App 的交互式開發(fā)環(huán)境 App Designer，可以用來設(shè)計(jì)智能助手的用戶界面。App Designer 內(nèi)置完整的 MATLAB 編輯器和豐富的交互式 UI 組件，支持通過網(wǎng)格布局管理界面，并可自動(dòng)適應(yīng)屏幕尺寸變化。用戶可直接在工具欄將 App 打包為安裝文件分發(fā)，或借助 MATLAB Compiler 創(chuàng)建獨(dú)立桌面或 Web App。

可參考如下網(wǎng)頁快速入門 App Designer：

使用 App 設(shè)計(jì)工具開發(fā) App：https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/app-designer.html

語音采集與處理

除了基本的 Signal Processing Toolbox，MATLAB 還專門為音頻、語音和聲學(xué)信號(hào)的處理與分析提供了Audio Toolbox，這也為我們智能助手的語音采集和處理提供了便利。Audio Toolbox 提供豐富的算法，可用于音頻信號(hào)處理、聲學(xué)指標(biāo)估算、音頻數(shù)據(jù)集標(biāo)注與增強(qiáng)，以及音頻特征提取。

可訪問如下網(wǎng)頁學(xué)習(xí)如何在 MATLAB 中通過 Audio Toolbox 采集、分析及處理語音信號(hào)：

Audio Toolbox：https://ww2.mathworks.cn/help/audio/index.html

結(jié)合上一步，如需在用戶界面上實(shí)現(xiàn)音頻文件的波形顯示與播放，可參考如下示例：

創(chuàng)建音頻播放與可視化應(yīng)用：*https://ww2.mathworks.cn/help/audio/ug/create-an-app-to-play-and-visualize-audio-files.html *

在智能助手應(yīng)用中，觸發(fā)詞檢測(cè)、語音轉(zhuǎn)文本和文本轉(zhuǎn)語音這三個(gè)模塊都是基于Audio Toolbox 網(wǎng)頁上提供的 “AI for Audio” 相關(guān)參考示例和函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。MATLAB 提供了Statistics and Machine Learning Toolbox 和 Deep Learning Toolbox 來支持 AI 方面的應(yīng)用。其中，觸發(fā)詞檢測(cè)主要是通過訓(xùn)練一個(gè)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來完成?？稍?MathWorks 官網(wǎng)上搜索以下示例，學(xué)習(xí)如何在 MATLAB 中對(duì)音頻信號(hào)打標(biāo)簽，如何設(shè)計(jì)與訓(xùn)練一個(gè)用于觸發(fā)詞檢測(cè)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，以及如何裁剪及量化 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并把它部署到樹莓派中。

對(duì)于語音與文本的相互轉(zhuǎn)換，需在 MATLAB 工具欄的“Add-Ons”下點(diǎn)擊“Get Add-Ons”，搜索并安裝“Audio Toolbox Interface for SpeechBrain and Torchaudio Libraries”。也可訪問如下網(wǎng)頁直接下載安裝，并查看其使用文檔及相關(guān)示例：

Audio Toolbox Interface for SpeechBrain and Torchaudio Libraries：https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/160371-audio-toolbox-interface-for-speechbrain-and-torchaudio-libraries

該插件可自動(dòng)安裝 Python 和 PyTorch，并下載 SpeechBrain 和 Torchaudio 庫中的深度學(xué)習(xí)模型，從而為 Audio Toolbox 提供了基于 AI 的語音識(shí)別（ASR）和語音合成功能，使得MATLAB 用戶無需深度學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)即可直接使用前沿的 AI 語音模型。

用戶可通過 speechClient 對(duì)象，調(diào)用speech2text和text2speech函數(shù)，選用本地模型或者Google、IBM、Microsoft、Amazon 等云服務(wù)，分別實(shí)現(xiàn)語音轉(zhuǎn)文本（STT）（或自動(dòng)語音識(shí)別（ASR））和文本轉(zhuǎn)語音（TTS）（或語音合成）功能。對(duì)于中文，可選擇whisper 模型實(shí)現(xiàn)語音轉(zhuǎn)文本，注意這時(shí)需單獨(dú)下載模型權(quán)重。

Python 模型集成

在文本轉(zhuǎn)語音模塊中，text2speech 函數(shù)使用的是 HiFi-GAN/Tacotron2 預(yù)訓(xùn)練模型，無法合成超過約 10 秒的語音信號(hào)。因此，可在 MATLAB 中配置 Python 環(huán)境，安裝和調(diào)用其他預(yù)訓(xùn)練好的 Python 模型。具體操作可參考：

從 MATLAB 中調(diào)用 Python：https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/call-python-libraries.html

在智能助手的示例中，我們選用的是pyttsx3，一個(gè)可直接調(diào)用多種操作系統(tǒng)的 TTS，支持在離線狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)文本轉(zhuǎn)語音并播放功能的Python 庫。

在 MATLAB 命令行，可使用如下命令安裝pyttsx3庫：

然后，通過如下函數(shù)初始化一個(gè)基于pyttsx3的TTS引擎并設(shè)置其參數(shù)：

之后，就可利用* engine.say()* 函數(shù)傳入需要合成并播放的文本，使用*engine.runAndWait() *函數(shù)等待朗讀任務(wù)的完成。

大語言模型支持

在我們的智能助手項(xiàng)目中，大語言模型被用來回答用戶的提問。為此，需要在附加功能資源瀏覽器中搜索并安裝 “Large Language Models (LLM) with MATLAB” ，或訪問如下網(wǎng)頁直接下載并安裝：

Large Language Models (LLMs) with MATLAB：https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/163796-large-language-models-llms-with-matlab

這個(gè)Add-on可以幫助用戶通過 MATLAB 連接或者調(diào)用各種大語言模型。目前支持 OpenAI Chat Completions API 和 OpenAI Images API 等，還支持調(diào)用 Ollama 部署的本地大模型?？蓞⒖贾鞍l(fā)布的微信文章《如何運(yùn)行本地 DeepSeek 模型并在 MATLAB 中使用？》了解更多。

硬件控制和代碼部署

與硬件設(shè)備進(jìn)行交互是具身智能的一大特色，在這個(gè)智能助手項(xiàng)目中，用戶可以通過指令控制電機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉。MATLAB 和 Simulink 可以直接與一些硬件鏈接并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸，還能支持將算法和模型自動(dòng)生成 C/C++、HDL 或 PLC 代碼等，部署到嵌入式系統(tǒng)中，如機(jī)器人控制器、無人車的車載計(jì)算機(jī)等，實(shí)現(xiàn)具身智能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行。

可在如下網(wǎng)頁中找到更詳細(xì)的信息：

MATLAB 的硬件支持：https://ww2.mathworks.cn/hardware-support/home.html

為了演示智能助手對(duì)電機(jī)的控制，我們基于如下 MATLAB 隨軟件附帶的示例做了簡單修改：

使用基于 STM32 處理器的板子實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電機(jī)的開環(huán)控制：https://ww2.mathworks.cn/help/ecoder/stmicroelectronicsstm32f4discovery/ug/Openn-Loop-Control-Example.html

原始示例是通過板卡上的按鍵打開或者關(guān)閉電機(jī)運(yùn)行，我們將“Communication” 下的“Start and Stop Motor” 模塊修改成通過 USART2 串口接收信號(hào)控制電機(jī)啟動(dòng)與停止（如下圖所示）。所以，當(dāng)智能助手檢測(cè)到電機(jī)控制指令時(shí)，只需要在串口發(fā)送該指令所相對(duì)應(yīng)的數(shù)字即可。

記得在 MATLAB 電機(jī)控制命令發(fā)送函數(shù)中使用與 STM32 USART2 端口配置中相同的波特率與字長。

總結(jié)

目前，我們僅使用 MATLAB 將具身智能與大語言模型（LLM）結(jié)合，在人機(jī)交互方面進(jìn)行了初步探索，未來將繼續(xù)探索能否直接使用多模態(tài)模型直接解析用戶需求來實(shí)現(xiàn)具身智能的人機(jī)交互。

除了人機(jī)交互， MATLAB 在具身智能的建模與仿真、感知與數(shù)據(jù)處理、決策與控制、學(xué)習(xí)與訓(xùn)練、測(cè)試與評(píng)估、嵌入式部署及代碼生成等眾多領(lǐng)域，均是功能強(qiáng)大的工具。歡迎感興趣的小伙伴們和我們一同進(jìn)行探索與研究！