基于聲源定位的智能小車(chē)

蘇俊杰 胡杰

摘 要：文章基于聲源定位技術(shù)研發(fā)出一款在移動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)避障的小車(chē)，其以 STM32F103C8T6為主控開(kāi)發(fā)板，將 K210 搭載麥克風(fēng)陣列作為聲源處理裝置，并且采用時(shí)延算法得出聲源到達(dá)不同麥克風(fēng)陣列的時(shí)間差，從而計(jì)算出聲源和小車(chē)的距離以及角度。為了使角度更加準(zhǔn)確，加上了卡爾曼濾波。測(cè)試結(jié)果表明，小車(chē)到達(dá)聲源的位置較為準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：時(shí)延算法;聲源定位;超聲波測(cè)距;麥克鳳陣列;STM32

中圖法分類(lèi)號(hào)：TN912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 引言

聲源定位小車(chē)是一種基于聲學(xué)傳感技術(shù)的智能機(jī)器人，它能夠在那些復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一些聲源的定位和跟蹤，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，聲源定位小車(chē)已在安防、智能家居、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如，在安防領(lǐng)域，聲源定位小車(chē)可以通過(guò)定位報(bào)警設(shè)備的聲源位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理；在智能家居領(lǐng)域，聲源定位小車(chē)可以作為家庭智能助手，對(duì)家庭中的各種聲源進(jìn)行識(shí)別和分析，從而實(shí)現(xiàn)智能家居的控制和管理。然而，聲源定位小車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著許多挑戰(zhàn)，如復(fù)雜的聲音環(huán)境、定位精度、運(yùn)動(dòng)控制等方面的問(wèn)題。因此，本文旨在研究和實(shí)現(xiàn)一種基于聲學(xué)傳感技術(shù)的聲源定位小車(chē)，通過(guò)對(duì)聲學(xué)信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)聲源的準(zhǔn)確定位和跟蹤，以及對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制。

本文基于麥克風(fēng)陣列實(shí)現(xiàn)聲源定位。麥克風(fēng)陣列聲源定位技術(shù)在陣列信號(hào)處理技術(shù)蓬勃發(fā)展的契機(jī)下誕生，能夠在多種場(chǎng)景下對(duì)各種聲音信號(hào)源定位。用麥克風(fēng)陣列來(lái)采集處理聲波信號(hào)受到越來(lái)越多學(xué)者及專(zhuān)家的關(guān)注［１］ 。

２ 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖１ 所示，以實(shí)現(xiàn)聲源定位的要求。其采用“６ ＋ １”形式的數(shù)字麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源收集，Ｋ２１０ 負(fù)責(zé)對(duì)收集到的聲源進(jìn)行處理和聲源定位，ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６ 作為主控，傳感器模塊包括編碼器、超聲波測(cè)距模塊、ＯＬＥＤ 顯示屏，驅(qū)動(dòng)模塊有電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路。

３ 硬件設(shè)計(jì)

基于整體設(shè)計(jì)方案，本文對(duì)系統(tǒng)的主要部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

３．１ ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６ 主控板

ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６ 為系統(tǒng)的主控板，它主要獲?。耍玻保?通過(guò)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)、收集超聲波測(cè)距模塊傳過(guò)來(lái)的距離信息，使小車(chē)避障，并通過(guò)Ｋ２１０ 發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)小車(chē)。

３．２ Ｋ２１０ 核心模塊

Ｋ２１０ 可結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器聽(tīng)覺(jué)能力，提供更強(qiáng)大的功能，如圖２ 所示，在應(yīng)用中可以通過(guò)聲源定位對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，可以根據(jù)麥克風(fēng)陣列確定一個(gè)說(shuō)話(huà)人的方向。Ｋ２１０ 的ＦＰＩＯＡ 特性，支持每個(gè)外設(shè)隨意映射到任意引腳，這使得Ｋ２１０ 可以有多個(gè)Ｉ２Ｓ 的通道來(lái)處理麥克風(fēng)陣列收集的音頻。

３．３ ＯＬＥＤ 顯示屏

硬件的顯示模塊使用０．９６ 寸的ＯＬＥＤ 屏幕，并采用Ｉ２Ｃ 的通信協(xié)議來(lái)連接ＳＴＭ３２，精致小巧的特點(diǎn)使它便于安裝在小車(chē)上并實(shí)時(shí)顯示聲源的角度和水平的距離。

３．４ 麥克風(fēng)陣列

麥克風(fēng)陣列模塊由７ 個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)組成，其中６ 個(gè)麥克風(fēng)圍繞在四周不同方向，每個(gè)麥克風(fēng)夾角為６０°，還有１ 個(gè)在模塊正中央。另外１２ 個(gè)ＬＥＤ 指示燈，方便指示聲源位置，麥克風(fēng)陣列的１２ 個(gè)燈珠將整體劃分為１２ 等份，角間距為π／６。麥克風(fēng)陣列如圖３ 所示。

３．５ 超聲波測(cè)距模塊

超聲波是一種頻率高于２０ ０００ 赫茲的聲波，超聲波測(cè)距模塊（ＨＣ?ＳＲ０４ 模塊） 可以測(cè)得最近距離２ｃｍ，最遠(yuǎn)距離４ ｍ，測(cè)量角度可以達(dá)到１５°，具有性能穩(wěn)定，方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，便于使用的優(yōu)點(diǎn)。

３．６ 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的功率元器件由ＬＲ７８４３ 型ＭＯＳＦＥＴ 管組成，直流電機(jī)采用可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，極大地提升了電機(jī)的轉(zhuǎn)速［２］ 。

４ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

４．１ 系統(tǒng)主程序

先初始化各個(gè)模塊，以麥克風(fēng)陣列Ｓ 圖標(biāo)正方向?yàn)樽鴺?biāo)原點(diǎn)，右邊為Ｘ 正軸，豎直向上為Ｙ 軸建立坐標(biāo)系，以Ｓ 圖標(biāo)正下方角度為０ 度，順時(shí)針度數(shù)依次增加，當(dāng)麥克風(fēng)陣列接收到聲源的信號(hào)，Ｋ２１０ 記錄聲源到達(dá)每個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間，從而通過(guò)時(shí)延算法，計(jì)算出聲源的角度和距離。Ｋ２１０ 通過(guò)串口將計(jì)算出的角度和距離發(fā)送給ＳＴＭ３２，并在ＯＬＥＤ 顯示屏實(shí)時(shí)顯示發(fā)送過(guò)來(lái)的角度和距離。ＳＴＭ３２ 收到數(shù)據(jù)后會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓小車(chē)朝著聲源的方向移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中，超聲波測(cè)距模塊會(huì)檢測(cè)小車(chē)的前面有無(wú)障礙物。

４．２ ＴＤＯＡ

４．２．１ 基本概念

該設(shè)計(jì)采用基于ＴＤＯＡ 到達(dá)時(shí)間差定位原理和廣義互相關(guān)函數(shù)的時(shí)延估計(jì)（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ ＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＰＨＡｓｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＧＣＣ?ＰＨＡＴ）原理［３］ 。在有２ 個(gè)麥克風(fēng)Ｍ１ 和Ｍ２ 并有噪聲的情況下收到聲源，對(duì)其建立模型，具體如下：

ｘ１（ｔ）＝ ｓ（ｔ－τ１）＋ｎ１（ｔ） （１）

ｘ２（ｔ）＝ ｓ（ｔ－τ２）＋ｎ２（ｔ） （２）

其中，τ１ 和τ２ 分別是聲源到達(dá)２ 個(gè)麥克風(fēng)的延遲時(shí)間，ｎ１（ｔ）和ｎ２（ｔ）為加性噪聲。那么聲源信號(hào)到達(dá)２個(gè)麥克風(fēng)的ＴＤＯＡ 為：

在麥克風(fēng)陣列幾何形狀已知的情況下，聲源定位問(wèn)題變?yōu)閷?duì)時(shí)延的估計(jì)問(wèn)題。在確定麥克風(fēng)陣列的排布后，聲源定位問(wèn)題進(jìn)一步變?yōu)閷?duì)時(shí)延估算的問(wèn)題。

４．２．２ 時(shí)延估計(jì)

時(shí)延估計(jì)常用的有很多種方法，如使用廣義互相關(guān)函數(shù)。廣義互相關(guān)函數(shù)的目的就是為了在嘈雜環(huán)境下，削弱噪聲和混響的影響，使實(shí)際環(huán)境聲源的定位更加準(zhǔn)確。在互功率譜域使用加權(quán)函數(shù)加權(quán)，然后經(jīng)過(guò)ＩＦＦＴ 運(yùn)算后找到峰值估計(jì)時(shí)延，最后通過(guò)式（４）和式（５）計(jì)算出聲源到達(dá)２ 個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)延，Ｇｘ１ｘ２（ω）是互頻譜。

４．２．３ 定位估計(jì)

就二維平面來(lái)說(shuō)，聲源到達(dá)麥克風(fēng)陣列的波形被看作平面波，如圖４ 所示。

聲速假定為ｃ，這２ 個(gè)麥克風(fēng)之間的距為ａ，Ｍ１ 和Ｍ２ 的時(shí)延是τ （，根據(jù)圖４ 的幾何關(guān)系可以得出：

由于其他參數(shù)已知，進(jìn)而可以得到聲源對(duì)于麥克風(fēng)陣列的角度：

４．３ 串口通信

串口通信是一種串行異步通信，通信雙方以字符幀為數(shù)據(jù)傳輸單位，字符幀按位依次傳輸，每個(gè)位占固定的時(shí)間長(zhǎng)度。兩個(gè)字符幀之間的傳輸時(shí)間間隔可以是任意的，即傳輸完一個(gè)字符幀后，可以間隔任意時(shí)間再傳輸下一個(gè)字符幀。

Ｋ２１０ 和ＳＴＭ３２ 都支持串口通信功能，它們之間的串口通信可以通過(guò)連接它們之間的ＴＸ 和ＲＸ 引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ｋ２１０ 一共有３ 個(gè)ＵＡＲＴ， 由于Ｋ２１０ 的ＦＰＩＯＡ 特性，支持每個(gè)外設(shè)隨意映射到任意引腳，因此ＵＡＲＴ 可以進(jìn)行自由的引腳映射。我們將Ｋ２１０ 的２４ 號(hào)和２５ 號(hào)引腳作為ＵＡＲＴ 通信的ＲＸ 和ＴＸ。ＳＴＭ３２Ｃ８Ｔ６ 有３ 個(gè)ＵＡＲＴ 接口，本次采用ＵＡＲＴ１ 接口，將ＰＡ１０ 和ＰＡ９ 作為ＵＡＲＴ 通信的ＲＸ 和ＴＸ。下面將介紹Ｋ２１０ 和ＳＴＭ３２ 之間通過(guò)串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕静襟E。

（１）確定串口通信參數(shù)：在Ｋ２１０ 和ＳＴＭ３２ 之間進(jìn)行串口通信前，需要確認(rèn)串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位等參數(shù)，保證２ 個(gè)設(shè)備設(shè)置的參數(shù)一致。

（２） 配置Ｋ２１０ 的串口：在Ｋ２１０ 中，本次使用ＭａｉｘＰｙ、串口參數(shù)等信息。

（３）配置ＳＴＭ３２ 的串口：在ＳＴＭ３２ 中，使用Ｋｅｉｌ５進(jìn)行串口配置。

（４）發(fā)送與接收數(shù)據(jù)：Ｋ２１０ 是發(fā)送數(shù)據(jù)的一端，ＳＴＭ３２ 則接收Ｋ２１０ 發(fā)送過(guò)來(lái)的串口數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸需要保證２ 個(gè)設(shè)備的串口通信參數(shù)一致，而且發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方式也需要保持一致，這樣才能確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。由于Ｋ２１０ 發(fā)送的數(shù)據(jù)是ＡＳＣＩＩ 碼的形式，并且是每次發(fā)送一個(gè)字符，因此發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)尾要以‘ ＼ｒ＼ｎ來(lái)表明發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束。

５ 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，先對(duì)小車(chē)進(jìn)行固定聲源定位的實(shí)驗(yàn)。將小車(chē)放在一個(gè)標(biāo)明角度的大圓盤(pán)中，將聲源依次放置不同的角度和距離，看小車(chē)能否準(zhǔn)確到達(dá)聲源的位置。先測(cè)量小車(chē)起始位置與聲源的距離，等到小車(chē)停止后，記錄小車(chē)所處圓盤(pán)的角度并測(cè)出小車(chē)所停位置與起點(diǎn)的距離，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表１ 所列。

第２ 次實(shí)驗(yàn)，在小車(chē)的附近放置障礙物，將聲源的發(fā)聲裝置放在障礙物的后方，測(cè)試小車(chē)能否繞過(guò)障礙物，從而抵達(dá)聲源位置。經(jīng)過(guò)２ 次實(shí)驗(yàn)可以得出，在室內(nèi)封閉的場(chǎng)所，小車(chē)在聲源定位時(shí)，可以基本準(zhǔn)確到達(dá)聲源位置，并且可以繞開(kāi)障礙物。

６ 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于聲源定位的智能小車(chē)，其重點(diǎn)還是如何處理聲源定位。經(jīng)測(cè)試，小車(chē)可以很好地確定聲源的角度和距離，也可以較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制，可以驗(yàn)證基于聲源定位的智能小車(chē)的定位和可移動(dòng)性能，并且可以比較不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)之間的差異。本次實(shí)驗(yàn)中存在一定的角度和距離誤差，不能在聲源嘈雜的環(huán)境下進(jìn)行聲源定位，未來(lái)的改進(jìn)還需要考慮聲源定位算法的優(yōu)化、定位精度的提高、運(yùn)動(dòng)控制等方面的問(wèn)題。此外，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可能需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特定的優(yōu)點(diǎn)適配，以滿(mǎn)足不同的需求，以便可以更加精確地進(jìn)行聲源定位。本文旨在為后面聲源定位的研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

蘇俊杰（１９９９—），碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

胡杰（１９６８—），碩士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)。