聲導(dǎo)航自行小車研究

摘要 采用特定頻率的聲音信號作為聲源對小車進(jìn)行導(dǎo)航，使小車能夠通過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(dá)的時間差，單片機計算出聲源偏離小車的角度和距離并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。在行進(jìn)過程中，小車可以自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。準(zhǔn)確到達(dá)聲源處是聲導(dǎo)航自行小車的重點和難點。
關(guān)鍵詞 麥克風(fēng)陣列；FPGA計時；聲源定位；單片機控制電機

導(dǎo)航是引導(dǎo)飛機、船舶、車輛以及個人安全、準(zhǔn)確地沿選定路線，準(zhǔn)時到達(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轉(zhuǎn)化為電信號，再利用計算機系統(tǒng)對電信號進(jìn)行分析處理，以實現(xiàn)對聲源識別、探測，并對聲目標(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、適用性高、成本低等優(yōu)點而備受重視，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)航的移動裝置還不多見。項目所研究聲導(dǎo)航自動小車，可以通過接收信號，判定聲源位置，確定前進(jìn)方向，并通過自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。

1 硬件設(shè)計
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、計時模塊、運算控制模塊和電機驅(qū)動模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可以分為聲源定位和車體移動兩大部分。系統(tǒng)各模塊工作是由單片機MC9S12XS128控制協(xié)調(diào)的，它是整個系統(tǒng)的核心。單片機MC9S12XS128擁有128 kB的Flash程序空間，8通道24位中斷定時器，8通道16位定時器，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，且該單片機性價比較高。該芯片通過FPGA計算出的時間差計算出小車與聲源的相對r和α，其中r是小車與聲源間的距離，α是聲源相對于小車的方位角，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
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，模塊自動發(fā)射8個周期的40 kHz方波超聲信號。空氣中幾乎沒有超聲信號，選擇40 kHz的超聲信號可以忽略空間的其他聲源的干擾。