Comparative analysis of speech recognition algorithms in UAV voice control system

The article proposes to perform a comparative analysis of the presented algorithms for processing voice control signals for an unmanned aerial vehicle, which can be implemented on processors with low computing power using online processing in real time. It is shown that these approaches are effective in improving the accuracy of speech recognition in the presence of various types of noise and a sound-reflecting control environment, which is an important problem in voice control systems for an unmanned aerial vehicle. An algorithm for calculating the mel-frequency cepstral coefficients, which appear in the role of the main features of speech recognition, is presented. A comparative analysis of two methods of distinguishing informative features of speech recognition in the voice control system of an unmanned aerial vehicle was made, namely, mel-frequency cepstral factors and the coefficients obtained with the aid of a linear prediction algorithm, where as a result of the conducted scientific experiment, under the influence of given noise, it was concluded that in these problems, the optimal method of exclusion is the mel-frequency cepstral factors, since they show the best value for obsalutnomu criterion of speech recognition quality. The expediency of using the proposed system for recognizing voice commands of an unmanned aerial vehicle based on the cepstral analysis is substantiated and experimentally proved. The obtained results of the experimental research allow to draw a conclusion about the advisability of further practical application of the developed system for recognizing voice commands for the control of an unmanned aerial vehicle on the basis of a cepstral analysis.В статье предлагается произвести сравнительный анализ представленных алгоритмов обработки сигналов голосового управления беспилотным летательным аппаратом, которые могут быть реализованы на процессорах с малой вычислительной способностью используя онлайн-обработку в режиме реального времени. Показано, что эти подходы эффективны в улучшении точности распознавания речи при наличии различных типов шумов и звукоотражающей среды управления, что является важной проблемой в системах голосового управления беспилотным летательным аппаратом. Представлен алгоритм вычисления мел-частотных кепстральных коэффициентов, которые выступают в роле основных признаков распознавания речи. Был проведен сравнительный анализ двух методов выделения информативных признаков распознавания речи в системе голосового управления беспилотным летательным аппаратом, а именно мел-частотные кепстральные коефициенты и коефициенты полученные с помощю алгоритма линейного предсказания, где в результате проведенного научного експереманта при воздействии заданных шумов были сделаны выводы, что в данных задачах оптимальным методом выдиления  является мел-частотные кепстральные коефициенты, так как они показывают наилучший показатель по обсалютному критерию качества распознавания речи. Обосновано и экспериментально доказано целесообразность использования предложенной системы распознавания голосовых команд управления беспилотным летательным аппаратом на основе кепстрального анализа. Полученные результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о целесообразности дальнейшего практического применения разработанной системы распознавания голосовых команд управления беспилотным летательным аппаратом на основе кепстрального анализа.У статті пропонується провести порівняльний аналіз представлених алгоритмів обробки сигналів голосового управління безпілотним літальним апаратом, які можуть бути реалізовані на процесорах з малою обчислювальною здатністю використовуючи онлайн-обробку в режимі реального часу. Показано, що запропоновані підходи ефективні в поліпшенні точності розпізнавання мови при наявності різних типів шумів і звуковідбиваючого середовища управління, що є важливою проблемою в системах голосового управління безпілотним літальним апаратом. Представлений алгоритм обчислення мел-частотних кепстральних коефіцієнтів, які виступають в ролі основних ознак розпізнавання мови. Був проведений порівняльний аналіз двох методів виділення інформативних ознак розпізнавання мови в системі голосового управління безпілотним літальним апаратом, а саме мел-частотні кепстральні коефіцієнти і коефіцієнти отримані за допомогою алгоритму лінійного передбачення, де в результаті проведеного наукового експерименту при впливі заданих шумів були зроблені висновки, що в даних задачах оптимальним методом виділення є мел-частотні кепстральні коефіцієнти, так як вони показують найкращий показник по абсолютному критерію якості розпізнавання мови. Обґрунтовано та експериментально доведено доцільність використання запропонованої системи розпізнавання голосових команд управління безпілотним літальним апаратом на основі кепстрального аналізу. Отримані результати експериментального дослідження дозволяють зробити висновок про доцільність подальшого практичного застосування розробленої системи розпізнавання голосових команд управління безпілотним літальним апаратом на основі кепстрального аналізу

PROBLEMS OF UNAUTHORIZED INTERFERENCE TO THE WORK OF UAV AND METHODS OF ITS SOLVING

This article is sanctified to the actual subject -research of unmanned aerial vehicles(UAV). The flow diagram of UAV is shown in this scientific work, the information about advantages, prospects and methods of UAV application in the different spheres of life is brought up. The basic methods of unauthorized access to management and software are analysed. The examples of unauthorized interference to the work of UAV control system are shown and the possible solutions of  UAV defence are offered. Anapparatus, which gives an opportunity to find out the place of UAV stay on certain territory and report about it, is analysed.The list of developing safe methods of counteraction to the UAV is given to consideration. The questions of  home soldiery unmanned aerial vehicles, that become more important with every day, are considered. The types of possible attacks are analyzed. It is educed that basic defense is still the cryptosystem of UAV control system defense.  This article allows you to delve into the issues and benefits caused by new unmanned aerial techniques, understand the seriousness of the problems and prospects, the ability to research and development in this direction.Данная статья посвящена достаточно актуальной тематике - исследованию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В данной научной работе показано структурную схему БПЛА, приведена информация о преимуществах, перспективах и способах применения БПЛА в различных сферах жизни. Проанализированы основные способы несанкционированного доступа к программному обеспечению и управлению. Продемонстрировано примеры несанкционированного вмешательства в работу системы управления БПЛА и предложены возможные решения защиты БПЛА. Проанализировано аппаратуру, что дает возможность выявлять пребывания БПЛА на определенной территории и сообщать об этом. Подается к рассмотрению перечень разрабатываемых безопасных способов противодействия беспилотным летательным аппаратам. Рассмотрены вопросы отечественных военных беспилотных летательных аппаратов, которые становятся более важными с каждым днем. Проанализированы типы возможных атак и выявлено, что основной защитой остается криптографическая система защиты канала управления БПЛА. Данная статья позволяет углубиться в проблемы и преимущества вызваны новой беспилотной летательной техникой, понять серьезность проблем и перспектив, возможность развития и исследований в этом направлении.Дана стаття присвячена досить актуальній тематиці - дослідженню безпілотних літальних апаратів (БПЛА). В даній науковій праці показано структурну схему БПЛА, наведена інформація про переваги, перспективи та способи застосування БПЛА в різних сферах життя. Проаналізовано основні способи несанкціонованого доступу до програмного забезпечення і керування. Продемонстровано приклади несанкціонованого втручання у роботу системи керування БПЛА і запропоновано можливі рішення захисту БПЛА. Проаналізовано апаратуру, що дає можливість виявляти перебування БПЛА на певній території і повідомляти про це. Подається до розгляду перелік розроблюваних безпечних способів протидії безпілотним літальним апаратам. Розглянуто питання вітчизняних військових безпілотних літальних апаратів, які стають  важливішими з кожним днем. Проаналізовано типи можливих атак і виявлено, що основним захистом залишається криптографічна система захисту каналу керування БПЛА. Дана стаття дозволяє заглибитися в проблеми і переваги викликані новою безпілотною літальною технікою, зрозуміти серйозність проблем і перспектив, можливість розвитку і досліджень в цьому напрямку

Magnetorheological effect of magnetoactive elastomer with a permalloy filler

Within the frames of this study, the synthesis of a permalloy to be used as a filler for magnetoactive and magnetorheological elastomers (MAEs and MREs) was carried out. By means of the mechanochemical method, an alloy with the composition 75 wt.% of Fe and 25 wt.% of Ni was obtained. The powder of the product was utilized in the synthesis of MAEs. Study of the magnetorheological (MR) properties of the elastomer showed that in a ~400 mT magnetic field the shear modulus of the MAE increased by a factor of ~200, exhibiting an absolute value of ~8 MPa. Furthermore, we obtained experimentally a relative high loss factor for the studied composite; this relates to the size and morphology of the synthesized powder. The composite with such properties is a very perspective material for magnetocontrollable damping devices. Under the action of an external magnetic field, chain-like structures are formed inside the elastomeric matrix, which is the main determining factor for obtaining a high MR effect. The effect of chain-like structures formation is most pronounced in the region of small strains, since structures are partially destroyed at large strains. A proposed theoretical model based on chain formation sufficiently well describes the experimentally observed MR effect. The peculiarity of the model is that chains of aggregates of particles, instead of individual particles, are considered. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.This work is supported by the research association between the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) under Grant Bo 3343/2‐1 within PAK 907 and support of RFBR under Grant 19‐53‐12039. A.M., A.Z. are grateful the RFBR, projects 19‐31‐90003, 19‐52‐45001, 20‐02‐00022 and the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project № FEUZ‐2020‐0051

Система захищеного голосового керування безпілотним літальним апаратом

A system for recognizing steganographic-transformed voice commands for controlling an unmanned aerial vehicle based on cepstral analysis has been developed, which allows efficient recognition and covert transmission of commands to an unmanned aerial vehicle by converting voice control commands into a kind of steganographic feature vector, which implies information hiding voice control of an unmanned aerial vehicle. A mathematical model of the algorithm for calculating small-frequency cepstral coefficients and a classifier for recognizing voice control commands has been synthesized to solve the problem of semantic identification and ensure the secrecy of control information of an unmanned aerial vehicle in a communication channel. The detailed results of preliminary experimental studies of the developed voice command recognition system and the computational algorithm of mel-frequency cepstral coefficients in MATLAB in the case of the identification of control commands "up", "down", "right", "left" spoken by different subjects.Разработана система распознавания стеганографически-преобразованных голосовых команд управления беспилотным летательным аппаратом на основе кепстрального анализа, которая позволяет обеспечить эффективное распознавание и скрытную передачу команд на борт беспилотного летательного аппарата, посредством преобразования голосовых команд управления в своего рода стеганографический вектор признаков, что подразумевает скрытие информации голосового управления беспилотным летательным аппаратом. Синтезирована математическая модель алгоритма вычисления мел-частотных кепстральных коэффициентов и классификатора распознавания голосовых команд управления для решения задачи семантической идентификации и обеспечения скрытности информации управления беспилотного летательного аппарата в канале связи. Подробно изложены полученные результаты предварительных экспериментальных исследований разработанной системы распознавания голосовых команд и алгоритма вычисления мел-частотных кепстральных коэффициентов в среде MATLAB на примере идентификации произнесенных разными субъектами управления команд: «Вверх», «Вниз», «Вправо», «Влево».Розроблено систему розпізнавання стеганографічно-перетворених голосових команд керування безпілотним літальним апаратом на основі кепстрального аналізу, яка дозволяє забезпечити ефективне розпізнавання і секретну передачу команд на борт безпілотного літального апарату, за допомогою перетворення голосових команд керування в свого роду стеганографічний вектор ознак, що має на увазі приховування інформації голосового керування безпілотним літальним апаратом. Синтезована математична модель алгоритму обчислення мел-частотних кепстральних коефіцієнтів і класифікатора розпізнавання голосових команд керування для вирішення завдання семантичної ідентифікації та забезпечення скритності інформації керування безпілотного літального апарату в каналі зв'язку. Детально викладені отримані результати попередніх експериментальних досліджень розробленої системи розпізнавання голосових команд і алгоритму обчислення мел-частотних кепстральних коефіцієнтів в середовищі MATLAB на прикладі ідентифікації вимовлених різними суб'єктами керування команд: «Вгору», «Вниз», «Вправо», «Вліво»

Алгоритм стиснення голосових команд керування БПЛА на основі вейвлет-перетворення

It is proposed to use developed digital speech signal compression algorithm based on wavelet transform in the unmanned aerial vehicle voice control system. It is implemented the estimation of compression data ratio and bit rate depending on the parameters of the correlation coefficient, the signal / noise ratio, peak signal / noise ratio and root-mean square error, which is the main criterion of performance of speech quality. The results of experimental studies suggest the feasibility of further practical application of the proposed digital speech signal compression algorithm based on wavelet transform in voice control systems unmanned aerial vehicle.Предлагается использовать разработанный алгоритм сжатия цифрового речевого сигнала, основанный на   вейвлет-преобразовании в системе голосового управления беспилотного летательного аппарата.  Осуществлено оценивание коэффициента сжатия данных и скорости передачи битов в зависимости от параметров коэффициента корреляции, отношения сигнал / шум, пикового отношения сигнал / шум и среднеквадратичной ошибки, которые выступают главными показателями критерия качества речи. Полученные результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о целесообразности дальнейшего практического применения предложенного алгоритма сжатия цифровых речевых сигналов на основе вейвлет-преобразования в системах голосового управления беспилотного летательного аппарата.Запропоновано використовувати розроблений алгоритм стиснення цифрових мовних сигналів на основі вейвлет-перетворення в системі голосового керування безпілотного літального апарата. Здійснено оцінювання коефіцієнта стиснення даних і швидкості передачі бітів в залежності від параметрів коефіцієнта кореляції, відношення сигнал / шум, пікового відношення сигнал / шум і середньоквадратичної помилки, які виступають головними показниками критерію якості мови. Отримані результати експериментального дослідження дозволяють зробити висновок про доцільність подальшого практичного застосування запропонованого алгоритму стиснення цифрових мовних сигналів на основі вейвлет-перетворення в системах голосового керування безпілотного літального апарата

Алгоритм стиснення цифрових мовних сигналів на основі вейвлет-перетворення

It is proposed to use developed digital speech signal compression algorithm based on wavelettransform using entropy arithmetic coding, which allows to achieve optimum results in the improvementof data compression while maintaining the intelligibility of speech signals. Substantiated and experimentallyproved the feasibility of using the speech compression algorithm. It is implemented the estimation ofcompression data ratio and bit rate depending on the parameters of the correlation coefficient, the signal/ noise ratio, peak signal / noise ratio and root-mean square error, which is the main criterion of performanceof speech quality. The results of experimental studies suggest the feasibility of further practicalapplication of the proposed digital speech signal compression algorithm based on wavelet transform intodifferent models of vocoding devicesПредложено использовать разработанный алгоритм сжатия цифровых речевых сигналов на основе вейвлет-преобразования с применением энтропийного арифметического кодирования, который позволяет добиться оптимального результата в улучшении степени сжатия данных при сохранении разборчивости речевых сигналов. Обосновано и экспериментально доказано целесообразность использования представленного алгоритма сжатия речи. Осуществлено оценивание коэффициента сжатия данных и скорости передачи битов в зависимости от параметров коэффициента корреляции, отношения сигнал / шум, пикового отношения сигнал / шум и средне-квадратичной ошибки, которые выступают главными показателями критерия качества речи. Полученные результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о целесообразности дальнейшего практического применения предложенного алгоритма сжатия цифровых речевых сигналов на основе вейвлет-преобразования в различных моделях устройств кодирования речевых сигналовЗапропоновано використовувати розроблений алгоритм стиснення цифрових мовних сигналів на основі вейвлет-перетворення із застосуванням ентропійного арифметичного кодування, який дозволяє домогтися оптимального результату в поліпшенні ступеня стиснення даних при збереженні розбірливості мовних сигналів. Обґрунтовано та експериментально доведено доцільність використання представленого алгоритму стиснення мови. Здійснено оцінювання коефіцієнта стиснення даних і швидкості передачі бітів в залежності від параметрів коефіцієнта кореляції, відношення сигнал / шум, пікового відношення сигнал / шум і середньоквадратичної помилки, які виступають головними показниками критерію якості мови. Отримані результати експериментального дослідження дозволяють зробити висновок про доцільність подальшого практичного застосування запропонованого алгоритму стиснення цифрових мовних сигналів на основі вейвлет-перетворення в різноманітних моделях пристроїв кодування мовних сигналі

Correction: Magnetorheological effect of magnetoactive elastomer with a permalloy filler (Polymers 2020, 12, 2371)

The authors wish to make a change to the published paper [1]. In the original manuscript, the authors made a mistake when proofreading and added an incorrect Figure 7. The corrected Figure 7 is presented below. © 2021, MDPI AG. All rights reserved.The study was partly supported by the Government contract of the Institute of Immunology and Physiology (AAAA-A18-118020690020-1) and the HSE University Basic Research Program (funded by the Russian Academic Excellence Project 5-1000)