可移動(dòng)聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱承同　鄧艷容　羅迪　馮振邦

摘要：隨著信息技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，聲源定位系統(tǒng)越來(lái)越得到人們的重視。聲源定位技術(shù)在可視電話(huà)、視頻系統(tǒng)、助聽(tīng)監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本論文主要根據(jù)聲源定位的基本原理對(duì)可移動(dòng)聲源目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，設(shè)計(jì)一套基于高速單片機(jī)的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由移動(dòng)聲源小車(chē)、聲音接收處理單元和數(shù)據(jù)處理控制單元組成，結(jié)合傳感器的組合，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行定位計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)聲源目標(biāo)的定位跟蹤。

關(guān)鍵詞：可移動(dòng)聲源；定位跟蹤；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN912.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0150-02

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)信息化時(shí)代的需要，聲源定位系統(tǒng)越來(lái)越得到人們的重視，聲源定位技術(shù)在可視電話(huà)、視頻系統(tǒng)、助聽(tīng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。鑒于實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本項(xiàng)目主要根據(jù)聲源定位的基本原理對(duì)可移動(dòng)聲源目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，設(shè)計(jì)一套基于高速單片機(jī)的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合傳感器的組合，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用軟件進(jìn)行定位計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)聲源目標(biāo)的定位跟蹤。

1 硬件設(shè)計(jì)方案介紹

本設(shè)計(jì)是基于嵌入式、上位機(jī)、單片機(jī)的可移動(dòng)聲源定位系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由移動(dòng)聲源小車(chē)、聲音接收處理單元和PC中央數(shù)據(jù)處理控制單元三個(gè)部分組成。移動(dòng)聲源小車(chē)控制電路采用了基于ARM的Cortex-M核心處理器，作為小車(chē)的控制核心，采用MOS管組成直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)帶減速機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)130直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。聲音接收處理單元控制電路采用了單片機(jī)對(duì)超聲波接收模塊進(jìn)行控制。采用超聲波聲納測(cè)距接收器芯片TL852，作為核心組成的超聲波檢波放大電路對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理。PC中央數(shù)據(jù)處理控制單元主要由PC客戶(hù)端以及USB無(wú)線(xiàn)適配器組成，USB無(wú)線(xiàn)、適配器核心是STM32F103C8T6單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)USB虛擬串口，同時(shí)驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)模塊。PC客戶(hù)端作為數(shù)據(jù)匯總處理的中心，通過(guò)PC機(jī)的高速運(yùn)算性能，快速對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能實(shí)時(shí)對(duì)移動(dòng)聲源小車(chē)和聲音接收處理單元進(jìn)行控制。

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。小車(chē)采用了2個(gè)L形單軸軸減速130電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用兩個(gè)相同的電路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩側(cè)電機(jī)，共同組成一個(gè)完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[2]。小車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓為3.3V～ 5.0V，供橋電壓為5V，橋臂壓降小，用4節(jié)充電電池即可驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流最大值為2A。Ctrl1為PWM控制信號(hào)，Ctrl2和Ctrl3組合即可得到電機(jī)的四個(gè)工作狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車(chē)、惰行。

（2）電機(jī)測(cè)速模塊。電機(jī)的測(cè)試主要是由光電傳感器完成，在車(chē)輪上設(shè)計(jì)了60個(gè)矩形齒，通過(guò)使用透射式光電采樣器即可得到與車(chē)輪轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖信號(hào)，光敏晶體管接收到光信號(hào)后導(dǎo)通則輸出低電平，若矩形齒和光敏晶體管的位置不重疊則接收不到光線(xiàn)而截止，此時(shí)輸出為高電平。STM32F103RCT6利用定時(shí)器輸出的脈沖來(lái)計(jì)算通過(guò)矩形齒的個(gè)數(shù)及其所用的時(shí)間，總個(gè)數(shù)除以一個(gè)車(chē)輪的齒數(shù)則可得到小車(chē)車(chē)輪總運(yùn)行圈數(shù)，再乘以車(chē)輪的周長(zhǎng)，即可得出小車(chē)走的總路程，最后用總路程除以小車(chē)的移動(dòng)時(shí)間即可得到當(dāng)前的速度。

（3）超聲波發(fā)射模塊。超聲波測(cè)距的遠(yuǎn)近取決于發(fā)射的功率和接收靈敏度。作為全向發(fā)射模塊，在原本的超聲波發(fā)射頭上安裝一個(gè)反射錐會(huì)造成一定的信號(hào)衰減，造成發(fā)射信噪比下降，使得定位范圍減小，增加了接收端的檢波難度。發(fā)射頭壓電陶瓷換能器是一種通過(guò)壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元器件，為了提高發(fā)射信噪比，考慮到發(fā)射模塊的體積，以及提高總供電電壓的難度，采用變壓器對(duì)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)升壓，變壓器的原、副線(xiàn)圈的匝數(shù)為1：20，即變比為1：20。

（4）聲音接收處理單元。聲源進(jìn)行定位之前需要對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行預(yù)處理，語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理一般包括提前濾波、加重處理、加窗等。聲音接收處理單元總電路由單片機(jī)STC12LE 5612AD構(gòu)成的超聲波接收控制電路和四個(gè)模塊電路組成，超聲波接收模塊電路由專(zhuān)用超聲波聲納測(cè)距接收集成電路TL852 構(gòu)成，接收模塊超聲波信號(hào)提取電路由低電壓運(yùn)放LMV358組成。

2 軟件設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)算法分析

軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，包含主控制器、液晶顯示部分子程序、鍵盤(pán)服務(wù)子程序、時(shí)間模塊子程序等。選用AVR mega16單片機(jī)控制器，具有64K存儲(chǔ)的Flash，在其編程環(huán)境下嵌套C高級(jí)語(yǔ)言，C函數(shù)與會(huì)變函數(shù)可以方便的相互調(diào)用。本系統(tǒng)的測(cè)距方法是由接收站輪流地向聲源小車(chē)發(fā)送出一個(gè)調(diào)制成38K的紅外光波，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。光波作為同步信號(hào)，通知小車(chē)發(fā)出聲音，此時(shí)時(shí)間為T(mén)start，由于光波速度非?？欤云鋸慕邮照景l(fā)出到聲源這個(gè)時(shí)間忽略不計(jì)。可以認(rèn)為接收站發(fā)出光波后，聲源小車(chē)馬上發(fā)出聲音。接收站收到聲音信號(hào)后即停止計(jì)時(shí)，此時(shí)的時(shí)間為T(mén)stop。則可到得聲音傳播過(guò)程中所用的時(shí)間T=Tstop-Tstart，聲音傳播速度為Vsd，由此可得到聲音的位移量SS=Vsd*（Tstop-Tstart）。

2.2 誤差分析

系統(tǒng)中誤差主要來(lái)源于時(shí)間帶來(lái)的誤差。對(duì)于通信帶來(lái)的時(shí)間誤差，可以通過(guò)合理的選用時(shí)間隨機(jī)性小的芯片、提高超聲波相關(guān)函數(shù)在程序中的優(yōu)先級(jí)，并通過(guò)在程序內(nèi)對(duì)這個(gè)相對(duì)固定的通信誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小其誤差。修正前后誤差值如表1所示。

由表1可發(fā)現(xiàn)只要選擇合適的修正值，相對(duì)于其他因素造成的誤差，由時(shí)間延遲帶來(lái)的誤差可以忽略不記。通過(guò)修正可以很好地減小定位誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

該聲源定位系統(tǒng)主要由移動(dòng)聲源小車(chē)、聲音接收處理單元和數(shù)據(jù)處理控制單元組成，結(jié)合多個(gè)傳感器組合，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用軟件進(jìn)行定位計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得該聲源定位系統(tǒng)具有精度高、 穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，可結(jié)合慣性導(dǎo)航技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的精確定位，也可用于巡檢小車(chē)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉陳.基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2018.

[2] Liu Haixia.AGV. navigation based on multi-sensor behavior fusion[D].Hefei：Hefei University of Technology，2006.

Abstract：With the rapid development of information technology and multimedia technology， more and more attention has been paid to acoustic source positioning system.Sound source localization technology in video phone， video systems， hearing monitoring system， and other fields has been widely used， this thesis mainly based on the basic principle of sound source localization for mobile source target positioning and tracking， design a set of sound localization system based on high speed single chip microcomputer， the system received by mobile source car， voice processing unit and data processing of the control unit， combined with the combination of sensor， through the single-chip microcomputer data processing position calculation， so as to realize the sound source target position tracking.

Key words：movable sound source； localization and tracking； SCM