可移動聲源定位系統(tǒng)設(shè)計

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)越來越得到人們的重視。聲源定位技術(shù)在可視電話、視頻系統(tǒng)、助聽監(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可移動聲源目標進行定位跟蹤，設(shè)計一套基于高速單片機的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由移動聲源小車、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，通過單片機數(shù)據(jù)處理進行定位計算，從而實現(xiàn)聲源目標的定位跟蹤。

關(guān)鍵詞：可移動聲源；定位跟蹤；單片機

中圖分類號：TN912.34 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0150-02

近年來，隨著信息技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，人類對信息化時代的需要，聲源定位系統(tǒng)越來越得到人們的重視，聲源定位技術(shù)在可視電話、視頻系統(tǒng)、助聽系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、智能機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。鑒于實際應(yīng)用價值，本項目主要根據(jù)聲源定位的基本原理對可移動聲源目標進行定位跟蹤，設(shè)計一套基于高速單片機的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合傳感器的組合，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，使用軟件進行定位計算，從而實現(xiàn)聲源目標的定位跟蹤。

1 硬件設(shè)計方案介紹

本設(shè)計是基于嵌入式、上位機、單片機的可移動聲源定位系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由移動聲源小車、聲音接收處理單元和PC中央數(shù)據(jù)處理控制單元三個部分組成。移動聲源小車控制電路采用了基于ARM的Cortex-M核心處理器，作為小車的控制核心，采用MOS管組成直流電機H橋驅(qū)動電路對帶減速機構(gòu)的標準130直流電機進行驅(qū)動。聲音接收處理單元控制電路采用了單片機對超聲波接收模塊進行控制。采用超聲波聲納測距接收器芯片TL852，作為核心組成的超聲波檢波放大電路對接收到的超聲波信號進行檢測處理。PC中央數(shù)據(jù)處理控制單元主要由PC客戶端以及USB無線適配器組成，USB無線、適配器核心是STM32F103C8T6單片機，實現(xiàn)USB虛擬串口，同時驅(qū)動無線模塊。PC客戶端作為數(shù)據(jù)匯總處理的中心，通過PC機的高速運算性能，快速對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并能實時對移動聲源小車和聲音接收處理單元進行控制。

（1）電機驅(qū)動模塊。小車采用了2個L形單軸軸減速130電機，電機驅(qū)動電路采用兩個相同的電路獨立驅(qū)動兩側(cè)電機，共同組成一個完整的電機驅(qū)動電路[2]。小車的電機驅(qū)動電路輸入電壓為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，驅(qū)動電流最大值為2A。Ctrl1為PWM控制信號，Ctrl2和Ctrl3組合即可得到電機的四個工作狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、惰行。

（2）電機測速模塊。電機的測試主要是由光電傳感器完成，在車輪上設(shè)計了60個矩形齒，通過使用透射式光電采樣器即可得到與車輪轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖信號，光敏晶體管接收到光信號后導通則輸出低電平，若矩形齒和光敏晶體管的位置不重疊則接收不到光線而截止，此時輸出為高電平。STM32F103RCT6利用定時器輸出的脈沖來計算通過矩形齒的個數(shù)及其所用的時間，總個數(shù)除以一個車輪的齒數(shù)則可得到小車車輪總運行圈數(shù)，再乘以車輪的周長，即可得出小車走的總路程，最后用總路程除以小車的移動時間即可得到當前的速度。

（3）超聲波發(fā)射模塊。超聲波測距的遠近取決于發(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)射頭上安裝一個反射錐會造成一定的信號衰減，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壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換為機械能的元器件，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，采用變壓器對驅(qū)動的信號進行驅(qū)動升壓，變壓器的原、副線圈的匝數(shù)為1：20，即變比為1：20。

（4）聲音接收處理單元。聲源進行定位之前需要對語音進行預(yù)處理，語音信號的預(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STC12LE 5612AD構(gòu)成的超聲波接收控制電路和四個模塊電路組成，超聲波接收模塊電路由專用超聲波聲納測距接收集成電路TL852 構(gòu)成，接收模塊超聲波信號提取電路由低電壓運放LMV358組成。

2 軟件設(shè)計分析

2.1 系統(tǒng)算法分析

軟件部分采用模塊化程序設(shè)計的方法，包含主控制器、液晶顯示部分子程序、鍵盤服務(wù)子程序、時間模塊子程序等。選用AVR mega16單片機控制器，具有64K存儲的Flash，在其編程環(huán)境下嵌套C高級語言，C函數(shù)與會變函數(shù)可以方便的相互調(diào)用。本系統(tǒng)的測距方法是由接收站輪流地向聲源小車發(fā)送出一個調(diào)制成38K的紅外光波，并開始計時。光波作為同步信號，通知小車發(fā)出聲音，此時時間為Tstart，由于光波速度非常快，所以其從接收站發(fā)出到聲源這個時間忽略不計。可以認為接收站發(fā)出光波后，聲源小車馬上發(fā)出聲音。接收站收到聲音信號后即停止計時，此時的時間為Tstop。則可到得聲音傳播過程中所用的時間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)中誤差主要來源于時間帶來的誤差。對于通信帶來的時間誤差，可以通過合理的選用時間隨機性小的芯片、提高超聲波相關(guān)函數(shù)在程序中的優(yōu)先級，并通過在程序內(nèi)對這個相對固定的通信誤差進行補償，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，相對于其他因素造成的誤差，由時間延遲帶來的誤差可以忽略不記。通過修正可以很好地減小定位誤差。

3 結(jié)語

該聲源定位系統(tǒng)主要由移動聲源小車、聲音接收處理單元和數(shù)據(jù)處理控制單元組成，結(jié)合多個傳感器組合，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，使用軟件進行定位計算。通過實驗可得該聲源定位系統(tǒng)具有精度高、 穩(wěn)定性較好的特點，可結(jié)合慣性導航技術(shù)， 實現(xiàn)室內(nèi)的精確定位，也可用于巡檢小車、智能機器人等領(lǐng)域。

參考文獻

[1] 劉陳.基于麥克風陣列的聲源定位研究[D].湖北工業(yè)大學，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