簡易聲源定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與制作

摘 要：文中介紹了麥克風陣列與聲源定位算法的基本工作原理，在此基礎(chǔ)上闡述了基于單片機的簡易聲源定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和制作方法。該系統(tǒng)主要由獨立聲音發(fā)生裝置、麥克風陣列、信號處理與控制3部分組成。經(jīng)過測試，證明了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對長距離聲源信號的定位與追蹤，可以利用無線藍牙技術(shù)在智能手機上實時動態(tài)顯示聲源信號的定位信息—長度和角度，且系統(tǒng)定位精度高，穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：聲源定位跟蹤；麥克風陣列；二維平面陣列；STM32；音頻功放；TDOA

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-04

0 引 言

隨著信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，聲源定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍用與民用領(lǐng)域[1]。目前，聲源定位系統(tǒng)主要利用不同結(jié)構(gòu)的麥克風陣列拾取聲源，再經(jīng)過一系列語音處理后完成聲源定位[2]。聲源定位系統(tǒng)在人工智能和工業(yè)設(shè)備故障監(jiān)測方面都有著廣泛的用途。本文主要針對2022年TI杯大學生電子設(shè)計競賽的E題—聲源定位跟蹤系統(tǒng)所提出的設(shè)計內(nèi)容與指標進行電路系統(tǒng)設(shè)計、制作和調(diào)試。

1 方案論證

1.1 主控器件方案的論證與選擇

方案1：傳統(tǒng)51系列單片機

傳統(tǒng)51單片機應(yīng)用廣泛，具有使用簡便、價格低廉等優(yōu)點；但其運算能力較差，片上資源少，處理速度慢，外圍功能相對單一，難以實現(xiàn)較復雜的設(shè)計任務(wù)。

方案2：STM32單片機

基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32單片機最高頻率可達72 MHz，具有強大的定時與中斷功能，擁有豐富的功能模塊和接口電路等。

通過比較，本設(shè)計選擇STM32單片機作為核心處理器，完成聲源定位追蹤系統(tǒng)的信息采集、處理和外圍電路控制等任務(wù)。

1.2 聲音發(fā)生裝置

方案1：壓電陶瓷蜂鳴片

壓電陶瓷蜂鳴片的聲源主要來自壓電振動板。壓電振動板是由一塊兩面印刷有電極的壓電陶瓷板和一塊金屬板（黃銅或不銹鋼等）組成。當輸入一定頻率的信號去驅(qū)動壓電陶瓷蜂鳴片發(fā)聲時，發(fā)現(xiàn)裸露的壓電陶瓷片發(fā)聲強度有限，不能滿足長距離（≥2.5 m）聲源信號采集要求。

方案2：基于單片機自制聲音發(fā)生裝置

自制聲音發(fā)生裝置主要由穩(wěn)壓電源、單片機、音頻功放模塊和揚聲器構(gòu)成。其中，穩(wěn)壓電源模塊利用獨立充電電池給該聲音發(fā)生裝置供電；STM32單片機負責產(chǎn)生400 Hz

的正弦波音頻信號；TDA2030A功放模塊將該音頻信號放大后輸入到揚聲器作為聲源，且聲音強度可調(diào)。該聲音發(fā)生裝置的聲源信號具有頻率可調(diào)、功率可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活等優(yōu)勢。

通過比較，本系統(tǒng)選擇自制的聲音發(fā)生裝置。

1.3 麥克風陣列結(jié)構(gòu)

方案1：一維均勻線性陣列

一維均勻線性陣列進行聲源定位時，根據(jù)多個雙曲面的交集來確定聲源最優(yōu)解，因此它的定位范圍是一個扇形區(qū)域或半空區(qū)域。該陣列不會受到聲源定位算法的影響，便于實現(xiàn)，具有較強的實用性。

方案2：二維平面陣列

二維平面陣列是在一維麥克風陣列的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，相對于一維麥克風陣列，其定位范圍有了大幅提高，在二維平面陣列中，常見陣列結(jié)構(gòu)[3]有：T型、十字型和均勻圓形。二維平面陣列可實現(xiàn)0～360°范圍的定位，彌補了一維平面陣列在定位范圍上的不足，但在算法的實現(xiàn)上，要比一維陣列復雜。

二維平面陣列模型如圖1所示。

方案3：Sipeed麥克風陣列模塊

Sipeed麥克風陣列模塊由7個數(shù)字麥克風組成，其中6個麥克風均勻分布在圓形模塊四周，1個麥克風位于模塊正中央；12個LED指示燈指示聲源位置。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)聲源角度定位，但無法滿足定位點與聲源距離測量的要求。

綜合考慮題目要求及時間限制等客觀因素，本系統(tǒng)采用一維麥克風陣列。即所有麥克風按一定規(guī)律排列在一條直線上。

1.4 定位算法的選擇

目前常用的定位算法主要有到達時間測量（TOA）、到達時間差測量（TDOA）[4]和基于波束成形的定位算法。

方案1：基于到達時間的定位算法（TOA）

該算法通過接收聲音信號的到達時間來定位聲源的位置，通常情況下采用圓周模型。時間同步是TOA定位算法的前提條件，且對硬件系統(tǒng)要求高。

方案2：基于到達時間差的定位算法（TDOA）

該算法利用聲源信號到達麥克風陣列中各麥克風時間的不同，估算出每個麥克風接收信號的時間差，然后基于時間延遲，結(jié)合麥克風陣列的幾何關(guān)系構(gòu)造定位算法，計算出空間中聲源的位置。

方案3：基于波束成形的定位算法

基于波束成形的定位算法[5]是較早的聲源定位方法，其對麥克風的各路輸出信號進行濾波去噪后，通過加權(quán)求和形成波束，通過調(diào)整權(quán)值使得波束輸出功率達到最大。對整個空間進行掃描，獲得能量最大值的方向為聲源方向。使用波束成形算法的先決條件是聲源位于遠場，該算法的運算量較大，對噪聲比較敏感，且算法的魯棒性較差。

相比于其他兩種方案，方案2具有計算量小、計算效率高、實時性好且硬件成本低等優(yōu)點，故采用到達時間差的定位方法來實現(xiàn)聲源定位。

2 理論分析與計算

2.1 麥克風模型分析

聲源定位技術(shù)首先需要根據(jù)聲源信號到達麥克風的距離確定是遠場源或近場源，然后采用遠場模型或者近場模型對麥克風所采集的聲源信息進行處理與計算。經(jīng)查閱資料，一般采用菲涅爾區(qū)公式來劃分近場源和遠場源的使用范圍：

2.2 定位算法原理及分析

由于TDOA算法具有定位精準、抗外部環(huán)境干擾能力強等優(yōu)勢，因此本聲源定位追蹤系統(tǒng)采用TDOA算法進行定位與跟蹤設(shè)計。TDOA定位是一種利用時間差進行定位的方法，至少需要3個信號接收裝置，測得2個時間差。本設(shè)計中，聲源接收模塊的定位幾何模型如圖2所示，通過采集聲源信號到達各聲音接收器（麥克風m1、m2、m3）的時間差來定位聲源的位置。

3 聲源定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與制作

本系統(tǒng)主要由聲音發(fā)生模塊、聲音接收模塊、信息處理模塊、信息顯示模塊、云臺追蹤控制模塊組成，如圖3所示。

3.1 自制聲音發(fā)生器

根據(jù)競賽題目要求設(shè)計并制作獨立聲音發(fā)生裝置，該裝置主要由單片機、音頻功放電路和供電電路構(gòu)成。聲音發(fā)聲裝置供電電路如圖4所示。音頻功放電路如圖5所示。

基于STM32單片機設(shè)計并制作了自制發(fā)音設(shè)備，該設(shè)備可以利用軟件實現(xiàn)不同頻率、功率的音頻信號，具有易操作、低成本等優(yōu)勢。

3.2 聲源定位追蹤裝置

麥克風陣列采用集成的高敏感度麥克風傳感器模塊，該模塊的DO端口可以依據(jù)聲音強度是否達到某個閾值而產(chǎn)生高、低電平，且閾值（靈敏度）可以通過電位器調(diào)節(jié)[6]。為了提升麥克風陣列的聲音采集靈敏度（檢測距離大于2.5 m），為高敏感度麥克風傳感器模塊加上紙筒罩，增強接收器對聲源的接收強度，同時減少雜音的干擾。聲源定位追蹤裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 軟件設(shè)計

軟件主要完成時間差信息采集、信息處理、數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)，處理流程如圖7所示。

（1）采集與數(shù)據(jù)處理部分：當遠處的聲源信號到達高敏感度麥克風模塊后，該模塊會輸出1個脈沖信號（產(chǎn)生1個上升沿信號）用于觸發(fā)單片機的定時器中斷。處于不同位置的3個麥克風接收到聲源信號的時間不同，因此單片機接收到的麥克風信號也存在時間差[7]。利用TDOA定位算法獲取聲源信號的距離和角度。

（2）數(shù)據(jù)顯示部分：在LCD屏幕上實時動態(tài)顯示聲源信號的坐標系以及聲源到定點（聲源定位追蹤裝置的中心位置）的距離和角度；通過藍牙技術(shù)將測量結(jié)果上傳到智能手機，實現(xiàn)無線顯示[8]。

（3）云臺追蹤控制：單片機進行定位計算時，控制激光筆關(guān)閉，定位運算完成后，根據(jù)獲取的聲源定位信息控制云臺轉(zhuǎn)動，同時控制激光筆指向聲源，實現(xiàn)追蹤功能[9]。

4 測試結(jié)果及分析

測試條件：在一個相對安靜、空曠的房間中對本系統(tǒng)進行功能性測試。測試儀器包括卷尺、量角器。聲源定位追蹤裝置的測量結(jié)果見表1所列。

由表1可知，雖然聲源距離和角度的測量值與真實值之間均存在誤差，但該裝置基本實現(xiàn)了對遠距離（≥2.5 m）聲源信號的定位與追蹤。

本裝置仍存在很大的改進空間：

（1）聲音采集裝置可以采用更高靈敏度的拾音器，進一步提高定位精度；

（2）聲源定位算法可以采用更高階的處理算法和濾波算法，以提高裝置的抗干擾性；

（3）采用云臺控制可以進一步提升控制精度，后續(xù)將對該系統(tǒng)進行完善與改進，深入挖掘聲源定位技術(shù)的應(yīng)用。

本設(shè)計中主要的創(chuàng)新點：

（1）低成本的集成麥克風傳感器模塊對聲音的采集距離僅為20～30 cm；為了能夠?qū)崿F(xiàn)長距離聲音采集，在麥克風上增加了紙質(zhì)空心圓錐體，以實現(xiàn)對聲音的定向和聚焦，解決聲音傳播的多徑問題，同時延長了聲音采集的距離（≥2.5 m）。

該聲音采集裝置具有低成本、長距離等特點。

（2）通過聲音采集裝置獲得聲源信息，利用現(xiàn)有的聲源定位算法進行信息處理，設(shè)計制作了追蹤定位裝置，配合聲源定位算法，通過發(fā)射激光信號實現(xiàn)聲源位置指示和聲源移動位置追蹤[10]。

5 結(jié) 語

本文主要闡述了2022年大學生電子設(shè)計競賽的E題—聲源定位追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與制作，重點介紹了麥克風陣列及聲源定位算法TDOA的工作原理，論證了該系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出系統(tǒng)中關(guān)鍵電路的設(shè)計和制作方案，最后通過測試數(shù)據(jù)證明了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離聲源定位與跟蹤。雖然本文設(shè)計的簡易聲源定位追蹤系統(tǒng)存在很多不足，但是系統(tǒng)具有制作簡單、成本低廉等優(yōu)勢。

參考文獻

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