三維空間聲源定位實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

馮　俊，薛祖剛

（皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安237012）

隨著電子產(chǎn)品的高度智能化，聲源定位技術(shù)也逐漸被人們所關(guān)注。例如：在視頻會(huì)議中，通過(guò)聲源定位技術(shù)控制攝像頭，使其自動(dòng)轉(zhuǎn)向發(fā)言人的方向［1］；在武器系統(tǒng)中，根據(jù)槍聲定位襲擊者的方向，從而快速做出反應(yīng)［2］；在機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中，利用聲音進(jìn)行室內(nèi)定位；等等［3-4］。

三維空間聲源定位是傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)用。聲源定位實(shí)驗(yàn)裝置具有知識(shí)綜合性和技術(shù)前沿性的雙重特點(diǎn)。利用該實(shí)驗(yàn)裝置可以將多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的知識(shí)融會(huì)貫通，從實(shí)際應(yīng)用角度理解專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的方法，特別適合作為大學(xué)生的綜合、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用。我們介紹了經(jīng)典的空間聲源定位算法，并利用教學(xué)中常用的元器件設(shè)計(jì)了聲源定位實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)裝置的有效性和可行性。

1　三維空間聲源定位算法

聲源定位主要有三種定位技術(shù)［5］:基于可控波束形成器的聲源定位技術(shù)、基于高分辨率空間譜估計(jì)聲源技術(shù)以及時(shí)延估計(jì)（TDOA）。TDOA定位算法比前兩種方法計(jì)算量小，也是目前研究的熱點(diǎn)［6］。

TDOA算法的基本原理如圖1所示。在圖1中，動(dòng)點(diǎn)S是平面坐標(biāo)系XOY中的聲源，聲波從S點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)和A點(diǎn)的時(shí)間分別為tO和tA，則在這兩點(diǎn)處接收到聲波的時(shí)間差△t可近似表示為［7］

圖1　平面坐標(biāo)系聲源定位

推廣到空間三維坐標(biāo)系OXYZ中的情形如圖2所示。在圖2中，A、B、C 分別是 X、Y、Z坐標(biāo)軸上的點(diǎn)，且到原點(diǎn)O的距離相等，距離記為L(zhǎng)；S與X、Y、Z三坐標(biāo)軸的夾角分別為記A點(diǎn)和O點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間差為點(diǎn)和O點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間差為Δt2，C點(diǎn)和O點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間差為Δt3。則有利用反三角函數(shù)可得通過(guò)這三個(gè)角度就能夠確定聲源在三維空間中的位置。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，聲源S的方向可以利用OS在三維空間上的仰角φ和方位角θ來(lái)確定，由圖2可知，φ和θ的大小可由

圖2　空間坐標(biāo)系聲源定位

2　聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)聲裝置、音頻接收裝置以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置組成。

2.1　發(fā)聲裝置

聲源采用555定時(shí)器產(chǎn)生4 kHz方波，通過(guò)LM386功放電路驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，如圖3所示。NE555電路的振蕩周期為 T=1.1C6（R1+R2+RV1），因 T=1/4 000 s，C6=10 nF，得 R1+R2+RV1≈22.7 kΩ。在圖 3 中，R1=3 kΩ、R2=18 kΩ，RV1為4.7 kΩ精密電位器。調(diào)節(jié)RV1使555定時(shí)器的引腳3發(fā)出4 kHz的方波信號(hào)。該方波經(jīng)RV2分壓，LM386功率放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

圖3　發(fā)聲裝置電路

2.2　音頻接收裝置

接收裝置采用MIC獲取音頻信號(hào)，經(jīng)放大選頻后作為單片機(jī)計(jì)時(shí)觸發(fā)信號(hào)，如圖4所示。

MIC接收到音頻后輸出幅值約5 mV的交流電壓信號(hào)，該信號(hào)由C1濾除直流分量后送入三極管共射放大電路，放大為30 mV左右的交流信號(hào)，放大后的信號(hào)由LM567選頻電路判斷其頻率。

LM567引腳5和引腳6上的外接電阻RV、R3和電容C4共同決定了LM567內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f0。 f0的大小為

當(dāng)輸入LM567引腳3的信號(hào)幅值大于25 mV且頻率在器件帶寬［0.95f0，1.05f0］內(nèi)時(shí)， LM567 引腳 8 的輸出就由高電平變?yōu)榈碗娖?。該低電平被送至單片機(jī)外部中斷引腳觸發(fā)計(jì)時(shí)。圖4中，C4取0.01 μF，R3為18 kΩ，RV為 4.7 kΩ精密電位器。 調(diào)節(jié) RV使 f0≈4 kHz，即僅當(dāng)LM567接收到聲源信號(hào)時(shí)，才會(huì)發(fā)出負(fù)脈沖，觸發(fā)單片機(jī)計(jì)時(shí)。

圖4　音頻接收裝置電路

2.3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

系統(tǒng)利用兩個(gè)兩相四線制步進(jìn)電機(jī)分別跟蹤聲源仰角和方位角的變化，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由L297和L298構(gòu)成，如圖5所示。在圖5中，IO1～I(xiàn)O5分別接單片機(jī)的5個(gè)通用IO口。IO1和IO2輸入的是L297的使能和復(fù)位信號(hào)，分別為高電平有效和低電平有效。IO3輸入的是L297的工作方式選擇信號(hào)：當(dāng)此信號(hào)為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作在全拍工作方式；當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作在半拍方式。IO4輸入的高低電平控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。IO5輸入單片機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)，方波的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L297可自動(dòng)生成步進(jìn)電機(jī)的換相邏輯，其結(jié)果由A、B、C、D四個(gè)引腳輸出，經(jīng)L298進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖6所示。在圖6中，O、A、B、C四點(diǎn)安裝相同的音頻接收裝置，A、B、C三點(diǎn)和O點(diǎn)之間的距離都為1 m；L是激光燈，電機(jī)M1調(diào)節(jié)L的仰角φ，電機(jī)M2調(diào)節(jié)L的方位角θ。手持發(fā)聲裝置S在黑板上移動(dòng)，觀察激光燈照射在黑板上的光點(diǎn)來(lái)判斷聲音定位的精度。

實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程是：系統(tǒng)上電后S發(fā)聲；O、A、B、C處四個(gè)音頻接收裝置分別接收到聲音后，計(jì)算出A、B、C三點(diǎn)和O點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間差Δt1、Δt2和Δt3，再根據(jù)式（6）計(jì)算L的仰角φ和方位角θ，然后控制M1和M2跟蹤上述兩個(gè)角度，以使激光筆能照射到發(fā)聲裝置S附近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6　實(shí)驗(yàn)裝置原理

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)聲源移動(dòng)速度較慢時(shí)，系統(tǒng)定位較精確，隨著聲源移動(dòng)速度加快，系統(tǒng)的跟蹤誤差逐漸變大。這是因?yàn)橄到y(tǒng)本身有一定的滯后，聲波信號(hào)傳輸、角度計(jì)算和電機(jī)的轉(zhuǎn)速等都會(huì)影響調(diào)節(jié)時(shí)間，這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)更換速度更快的單片機(jī)以及優(yōu)化控制程序等方法來(lái)解決。

4　結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)的三維聲源定位系統(tǒng)采用教學(xué)中常用的器件搭建，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，便于高校實(shí)驗(yàn)室自制。另外，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的知識(shí)綜合性和二次開(kāi)發(fā)的潛力，特別適用于電子、電氣、自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行綜合創(chuàng)新類(lèi)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于改進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力具有重要作用和意義。