聲導航自行小車(chē)研究

摘要 采用特定頻率的聲音信號作為聲源對小車(chē)進(jìn)行導航，使小車(chē)能夠通過(guò)接收和處理聲信號以確定聲源方向和位置，并行進(jìn)至聲源處的功能。其中，用硬件濾波電路對聲信號進(jìn)行濾波處理，由FPGA計算聲信號到達的時(shí)間差，單片機計算出聲源偏離小車(chē)的角度和距離并產(chǎn)生PWM波驅動(dòng)電機運轉。在行進(jìn)過(guò)程中，小車(chē)可以自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。準確到達聲源處是聲導航自行小車(chē)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 麥克風(fēng)陣列；FPGA計時(shí)；聲源定位；單片機控制電機

導航是引導飛機、船舶、車(chē)輛以及個(gè)人安全、準確地沿選定路線(xiàn)，準時(shí)到達目的地的一種手段。聲定位技術(shù)是通過(guò)聲傳感裝置接收聲波，用電子裝置將聲信號轉化為電信號，再利用計算機系統對電信號進(jìn)行分析處理，以實(shí)現對聲源識別、探測，并對聲目標進(jìn)行定位及跟蹤的一門(mén)技術(shù)。聲定位技術(shù)以其隱蔽性強、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(zhù)廣泛的應用和重要意義。因此聲定位技術(shù)與導航技術(shù)結合形成有特色的聲導航自行小車(chē)。
目前的聲控移動(dòng)裝置多見(jiàn)于采用超聲波技術(shù)躲避障礙物或通過(guò)某些語(yǔ)音語(yǔ)句控制裝置的行進(jìn)路線(xiàn)。聲導航主要應用于聲吶、潛水器、UUV(無(wú)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)行導航的移動(dòng)裝置還不多見(jiàn)。項目所研究聲導航自動(dòng)小車(chē)，可以通過(guò)接收信號，判定聲源位置，確定前進(jìn)方向，并通過(guò)自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。

1 硬件設計
1．1 硬件總體概況
系統包括聲發(fā)射模塊、聲接收模塊、硬件濾波模塊、計時(shí)模塊、運算控制模塊和電機驅動(dòng)模塊。系統結構框圖如圖1所示。整個(gè)系統可以分為聲源定位和車(chē)體移動(dòng)兩大部分。系統各模塊工作是由單片機MC9S12XS128控制協(xié)調的，它是整個(gè)系統的核心。單片機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(guò)鎖相環(huán)最高可倍頻至96 MHz；最小系統包括外部晶振、復位電路及BDM調試接口電路等，且該單片機性?xún)r(jià)比較高。該芯片通過(guò)FPGA計算出的時(shí)間差計算出小車(chē)與聲源的相對r和α，其中r是小車(chē)與聲源間的距離，α是聲源相對于小車(chē)的方位角，并產(chǎn)生合適的PWM，是小車(chē)到達聲源處。

1．2 單元模塊設計
1．2．1 聲發(fā)射模塊
模塊采用SRF05超聲波傳感器作為系統的通信模塊。作為發(fā)射端模塊，沒(méi)有使用Echo接收端的功能。該模塊采用3節干電池供電，打開(kāi)焊接的開(kāi)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?？諝庵袔缀鯖](méi)有超聲信號，選擇40 kHz的超聲信號可以忽略空間的其他聲源的干擾。