聲導(dǎo)航自行小車研究

摘要 采用特定頻率的聲音信號(hào)作為聲源對(duì)小車進(jìn)行導(dǎo)航，使小車能夠通過接收和處理聲信號(hào)以確定聲源方向和位置，并行進(jìn)至聲源處的功能。其中，用硬件濾波電路對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理，由FPGA計(jì)算聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，單片機(jī)計(jì)算出聲源偏離小車的角度和距離并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在行進(jìn)過程中，小車可以自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。準(zhǔn)確到達(dá)聲源處是聲導(dǎo)航自行小車的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 麥克風(fēng)陣列；FPGA計(jì)時(shí)；聲源定位；單片機(jī)控制電機(jī)

導(dǎo)航是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人安全、準(zhǔn)確地沿選定路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的一種手段。聲定位技術(shù)是通過聲傳感裝置接收聲波，用電子裝置將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源識(shí)別、探測(cè)，并對(duì)聲目標(biāo)進(jìn)行定位及跟蹤的一門技術(shù)。聲定位技術(shù)以其隱蔽性強(qiáng)、適用性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受重視，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和重要意義。因此聲定位技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合形成有特色的聲導(dǎo)航自行小車。
目前的聲控移動(dòng)裝置多見于采用超聲波技術(shù)躲避障礙物或通過某些語音語句控制裝置的行進(jìn)路線。聲導(dǎo)航主要應(yīng)用于聲吶、潛水器、UUV(無人水下航行器)等水下裝置，而在空氣中采用聲學(xué)方式進(jìn)行導(dǎo)航的移動(dòng)裝置還不多見。項(xiàng)目所研究聲導(dǎo)航自動(dòng)小車，可以通過接收信號(hào)，判定聲源位置，確定前進(jìn)方向，并通過自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件總體概況
系統(tǒng)包括聲發(fā)射模塊、聲接收模塊、硬件濾波模塊、計(jì)時(shí)模塊、運(yùn)算控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)可以分為聲源定位和車體移動(dòng)兩大部分。系統(tǒng)各模塊工作是由單片機(jī)MC9S12XS128控制協(xié)調(diào)的，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。單片機(jī)MC9S12XS128擁有128 kB的Flash程序空間，8通道24位中斷定時(shí)器，8通道16位定時(shí)器，8通道PWM波輸出和8通道12位精度的A／D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)集成CAN，SPI，SCI和UART等通信接口；使用16 MHz外部晶振，通過鎖相環(huán)最高可倍頻至96 MHz；最小系統(tǒng)包括外部晶振、復(fù)位電路及BDM調(diào)試接口電路等，且該單片機(jī)性價(jià)比較高。該芯片通過FPGA計(jì)算出的時(shí)間差計(jì)算出小車與聲源的相對(duì)r和α，其中r是小車與聲源間的距離，α是聲源相對(duì)于小車的方位角，并產(chǎn)生合適的PWM，是小車到達(dá)聲源處。

1．2 單元模塊設(shè)計(jì)
1．2．1 聲發(fā)射模塊
模塊采用SRF05超聲波傳感器作為系統(tǒng)的通信模塊。作為發(fā)射端模塊，沒有使用Echo接收端的功能。該模塊采用3節(jié)干電池供電，打開焊接的開關(guān)后，指示燈亮，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)周期的40 kHz方波超聲信號(hào)。空氣中幾乎沒有超聲信號(hào)，選擇40 kHz的超聲信號(hào)可以忽略空間的其他聲源的干擾。