基于TDOA 算法的聲源跟蹤智能小車設(shè)計與制作

何軍全，黃明易

（1.百色職業(yè)學(xué)院，廣西百色，533000；2.廣西聯(lián)泰汽車銷售服務(wù)有限公司，廣西百色，533000）

0 引言

在科技水平的不斷提高下，工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中取得良好的應(yīng)用效果，不僅實(shí)現(xiàn)了對材料、工件搬運(yùn)，還能嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，科學(xué)操持工具。智能小車作為一種常用的自主移動機(jī)器人，在進(jìn)行緊急搶險期間，經(jīng)常存在人類無法直接到達(dá)指定地域探測問題，這就要求使用機(jī)器人前去完成，這是由于機(jī)器人在復(fù)雜地形中表現(xiàn)出強(qiáng)大的自動避障功能，因此，技術(shù)人員要參照機(jī)器人自動避障特點(diǎn)，利用TDOA 算法，加強(qiáng)對聲源跟蹤智能小車的設(shè)計和制作。

1 TDOA 算法概述

TDOA 算法作為一種重要的聲源定位算法，其運(yùn)用原理是通過利用接收器，實(shí)時接收和求取聲音信號，確保所求取的聲音信號距離各個接收器時間通常會存在的延遲，時間延遲本質(zhì)上是不同接收器與指定聲源之間存在相應(yīng)的聲程差[1]，然后，利用定位方程解算法，對聲源位置坐標(biāo)進(jìn)行精確化求解。該算法流程主要包含以下兩個步驟：（1）在進(jìn)行時延估計期間，需要從聲音信號中，獲得時間延遲整個過程，這種時間延遲主要發(fā)生于聲源、接收器之間。而廣義相關(guān)算法屬于一種典型的時延估計算法。（2）位置解算。在獲得時間延遲后，要利用接收器坐標(biāo)，精確地求解聲源坐標(biāo)過程[2]。在整個位置解算中，所運(yùn)用的主流算法主要包含以下兩種，一種是迭代法，另一種是球面插值法?？傊琓DOA 算法所對應(yīng)的計算復(fù)雜度不斷降低，完全符合算法實(shí)時性應(yīng)用需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

在進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計期間，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照聲音定位處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，優(yōu)先選用主體結(jié)構(gòu)為H 型車模的智能小車，并利用TDOA 算法，保證聲源定位功能實(shí)現(xiàn)效果，同時，還要安裝和固定相應(yīng)的避障模塊，從而達(dá)到精確地規(guī)避前方障礙物的目的。該系統(tǒng)主要包含以下三個模塊。（1）控制器模塊?？刂破髂K在實(shí)際設(shè)計中，主要借助單片機(jī)系統(tǒng)化處理環(huán)境信息，這些環(huán)境信息主要是由傳感器采集的[3]，同時，結(jié)合環(huán)境信息，完成對相關(guān)信號的輸出和控制。（2）傳感器模塊。傳感器模塊主要包含編碼器、FM 傳感器等模塊，主要用于對環(huán)境信息和小車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)等多種信息的實(shí)時化采集和整理。（3）驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊主要是由電機(jī)、驅(qū)動電路組成，通過對單片機(jī)控制信號進(jìn)行實(shí)時接收和整理，從而智能化控制智能小車運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖如圖1 所示，從圖1 中可以看出，系統(tǒng)總體流程為：首先，通過利用FM 傳感器模塊[4]，對環(huán)境信標(biāo)進(jìn)行實(shí)時化檢測，并向單片機(jī)安全、可靠地傳輸相關(guān)聲音信號。此外，還要利用編碼器，不斷地提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，將采集好的信號直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，從而形成良好的速度閉環(huán)控制模式，整個電機(jī)中，所采用的控制模塊主要以增量式PID 控制模式，從而保證電機(jī)輸出功率控制水平。在單片機(jī)的應(yīng)用背景下，通過利用FM傳感器模塊，獲得智能小車相對位置相關(guān)信息[5]，并對電機(jī)期望速度值進(jìn)行精確化計算，并借助速度環(huán)，對智能小車速度進(jìn)行實(shí)時化控制，從而達(dá)到實(shí)時化控制智能小車運(yùn)動方向的目的。

圖1 系統(tǒng)總體方案

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖如圖2 所示，從圖2 中可以看出，該系統(tǒng)主要包含電源模塊、聲音采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，要優(yōu)先選用電源芯片，并將相關(guān)信號直接傳輸?shù)組CU 中，從而確保供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性[6]，確保主控電路復(fù)雜度降到最低，此外，還要嚴(yán)格按照車模外形設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將驅(qū)動電路與MCU 進(jìn)行分開處理。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

■3.1 主控電路設(shè)計

該系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計中，要利用TC264 芯片的高性能、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，從而最大限度地提高車?？刂茰?zhǔn)確度，此外，還要利用線性穩(wěn)壓源[7]，為系統(tǒng)其他各個模塊提供穩(wěn)定的電能。該系統(tǒng)需要利用信標(biāo)燈所發(fā)出的多種音頻信號，為了確保信號噪聲降到最低，要優(yōu)化處理信號電平，從而防止噪聲出現(xiàn)放大、衰減現(xiàn)象。在數(shù)字區(qū)域內(nèi)，要綜合處理高品質(zhì)音頻信號，最大限度地提高原有信號音質(zhì)。

■3.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊在實(shí)際設(shè)計中，要利用STC89C52 單片機(jī)，對所輸出的高低電平進(jìn)行實(shí)時化控制，并為智能小車前進(jìn)、后退提供一定的驅(qū)動力，并完成對相應(yīng)電源電路設(shè)計，同時，還要嚴(yán)格按照輸入信號要求，利用穩(wěn)壓芯片，將電源統(tǒng)一設(shè)置為5V，為單片機(jī)、傳感器提供源源不斷的電能，同時，還要利用驅(qū)動模塊，為電源提供穩(wěn)定的電能，由于電機(jī)所對應(yīng)的電流相對較高，其在實(shí)際制動期間，會出現(xiàn)電壓降問題，如果將其他模塊與其進(jìn)行有效的并聯(lián)處理，可以避免以上不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

■3.3 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊主要包含以下兩個部分：（1）紅外線傳感器。通過利用該傳感器靈敏度高、可靠性高、靈活方便等特點(diǎn)，采用高低電平形式，將相關(guān)信號直接傳輸?shù)紺PU 中。（2）聲音傳感器。通過利用聲音傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對光電傳感器進(jìn)行統(tǒng)一化發(fā)射與接收，并對四周環(huán)境聲音強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時化檢測。總之，通過利用傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對障礙物距離和聲源位置的實(shí)時化感知，確保智能小車能夠自動躲避前方障礙物。

■3.4 控制器模塊設(shè)計

控制器模塊作為智能小車核心模塊，主要集中化處理和分析各種輸入信號，并對其進(jìn)行實(shí)時化、自動化控制。同時，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照紅外傳感器精準(zhǔn)、聲音傳感器精確等原則，對控制器模塊進(jìn)行科學(xué)化設(shè)計。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了充分發(fā)揮和利用TDOA 算法的應(yīng)用優(yōu)勢，提高聲源跟蹤智能小車的穩(wěn)定性和實(shí)用性，技術(shù)人員必須嚴(yán)格按照如圖3 所示的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計示意圖，完成對用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、自動避障尋聲模塊四大模塊的科學(xué)化設(shè)計[8]。這些模塊在實(shí)際設(shè)計中，所選用的開發(fā)工具和開發(fā)語言分別是eclipse、JAVA，整個web 展示主要運(yùn)用了以下三種技術(shù)，分別是JSP 技術(shù)、Spring 技術(shù)和Hibernate 技術(shù)，其中，用戶登錄模塊設(shè)計用到了JSP 技術(shù)；數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計用到了Spring 技術(shù)；自動避障模塊設(shè)計用到了Hibernate技術(shù)。

圖3 系統(tǒng)模塊設(shè)計示意圖

■4.1 用戶登錄模塊設(shè)計

為了避免因用戶訪問權(quán)限控制不當(dāng)造成非法用戶登錄和訪問系統(tǒng)重要信息而出現(xiàn)信息丟失、泄露問題，需要做好對用戶登錄行為認(rèn)證處理，從而保證用戶登錄模塊設(shè)計質(zhì)量。首先，該系統(tǒng)利用各種加密技術(shù)，對用戶所提交的賬號、密碼進(jìn)行加密處理[9]，然后，將加密處理好的信息數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中，由服務(wù)器集中化認(rèn)證處理這些信息數(shù)據(jù)，當(dāng)信息認(rèn)證成功后，該系統(tǒng)會結(jié)合用戶訪問需求，將相關(guān)頁面呈現(xiàn)在用戶面前。反之，當(dāng)信息認(rèn)證失敗后，該系統(tǒng)會顯示“賬號或者密碼錯誤”彈出框，此時，用戶需要核實(shí)和提交這些信息。用戶登錄主流程如圖4 所示 。

圖4 用戶登錄主流程

用戶登錄模塊核心代碼如下：

■4.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

通過利用TDOA 算法，將采樣頻率統(tǒng)一設(shè)置為2048 次/秒，確保該系統(tǒng)所返回的信號與所接收到的信號完全一致，但是，由于受到環(huán)境噪聲、車模等多種因素的影響，嚴(yán)重影響了收音效果。通過利用TDOA 算法，對噪聲干擾進(jìn)行過濾處理，該算法具有響應(yīng)效率高、靈敏度高、資源利用率高等特點(diǎn)，有效地解決了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)問題[10]。此外，通過利用該系統(tǒng)動態(tài)化模型，對相關(guān)輸入信號進(jìn)行實(shí)時控制，并在綜合考慮不同時間聯(lián)合分布情況，結(jié)合單次測量，從而保證系統(tǒng)變化量估計結(jié)果的精確性和真實(shí)性，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同接收器與指定聲源之間存在相應(yīng)的聲程差，利用定位方程解算法，對聲源位置坐標(biāo)進(jìn)行精確化求解，然后，根據(jù)最終求解結(jié)果，實(shí)時監(jiān)測和觀察環(huán)境噪聲隨機(jī)誤差。數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

■4.3 自動避障尋聲模塊設(shè)計

智能小車在實(shí)際運(yùn)動期間，為了確保小車有效地躲避處于熄滅狀態(tài)的信標(biāo)燈，技術(shù)人員要利用該系統(tǒng)內(nèi)部紅外光電傳感器模塊，完成對相關(guān)信號的采集和整理，確保小車在靠近障礙物，會自動觸發(fā)規(guī)避動作。一旦開環(huán)控制不合理，會導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)速難以精確控制問題，并引發(fā)智能小車出現(xiàn)打滑、甩尾等問題。此時，需要利用TDOA 算法，對智能小車進(jìn)行閉環(huán)控制，確保智能小車能夠正常、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

將小車實(shí)時位置設(shè)置為相應(yīng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，以X 軸、Y軸、Z 軸三維坐標(biāo)，實(shí)時控制該系統(tǒng)控制器誤差輸入值。通過對上限速度進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，確保智能小車在距離較遠(yuǎn)位置處以上限速度運(yùn)動的方式，對控制器調(diào)節(jié)速度進(jìn)行設(shè)置，從而保證新一輪尋燈速度控制效果。此外，通過利用編碼器，將所采集好的小車速度直接設(shè)置為反饋量，并采用PID計算方式，利用主控芯片，統(tǒng)一化處理相關(guān)信息數(shù)據(jù)，然后，將所獲得消除誤差控制輸出量再次反饋給指定的小車驅(qū)動模塊中，從而實(shí)現(xiàn)對智能小車的穩(wěn)定化控制。自動避障尋聲處理流程如圖6 所示 。

圖6 自動避障尋聲處理流程

5 結(jié)束語

綜上所述，在TDOA 算法的應(yīng)用背景下，本文所設(shè)計的聲源跟蹤智能小車所運(yùn)用的主控芯片以“STC89C51”單片機(jī)為主，通過采用模塊化設(shè)計思想，將傳感器、控制器組合多種類型的檢測電路，確保避障循聲功能實(shí)現(xiàn)效果，盡管該系統(tǒng)避障功能實(shí)現(xiàn)效果相對比較理想，但是，循聲功能靈敏度相對較低，并且很容易受到外界不良環(huán)境的影響，這就需要相關(guān)人員針對這些問題，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。而智能小車作為一種先進(jìn)、新型的智能機(jī)器人，充分發(fā)揮和應(yīng)用了智能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，表現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。