可移动声源定位系统设计
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摘要：随着信息技术和多媒体技术的快速发展，声源定位系统越来越得到人们的重视。声源定位技术在可视电话、视频系统、助听监控系统等领域有着广泛的应用，本论文主要根据声源定位的基本原理对可移动声源目标进行定位跟踪，设计一套基于高速单片机的声源定位系统，该系统由移动声源小车、声音接收处理单元和数据处理控制单元组成，结合传感器的组合，通过单片机数据处理进行定位计算，从而实现声源目标的定位跟踪。
关键词：可移动声源；定位跟踪；单片机
中图分类号：TN912.34 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0150-02
近年来，随着信息技术和多媒体技术的快速发展，人类对信息化时代的需要，声源定位系统越来越得到人们的重视，声源定位技术在可视电话、视频系统、助听系统、监控系统、智能机器人等领域有着广泛的应用[1-2]。鉴于实际应用价值，本项目主要根据声源定位的基本原理对可移动声源目标进行定位跟踪，设计一套基于高速单片机的声源定位系统，该系统结合传感器的组合，通过单片机进行数据处理，使用软件进行定位计算，从而实现声源目标的定位跟踪。
1 硬件设计方案介绍
本设计是基于嵌入式、上位机、单片机的可移动声源定位系统。整个系统由移动声源小车、声音接收处理单元和PC中央数据处理控制单元三个部分组成。移动声源小车控制电路采用了基于ARM的Cortex-M核心处理器，作为小车的控制核心，采用MOS管组成直流电机H桥驱动电路对带减速机构的标准130直流电机进行驱动。声音接收处理单元控制电路采用了单片机对超声波接收模块进行控制。采用超声波声纳测距接收器芯片TL852，作为核心组成的超声波检波放大电路对接收到的超声波信号进行检测处理。PC中央数据处理控制单元主要由PC客户端以及USB无线适配器组成，USB无线、适配器核心是STM32F103C8T6单片机，实现USB虚拟串口，同时驱动无线模块。PC客户端作为数据汇总处理的中心，通过PC机的高速运算性能，快速对接收到的数据进行处理，并能实时对移动声源小车和声音接收处理单元进行控制。
（1）电机驱动模块。小车采用了2个L形单轴轴减速130电机，电机驱动电路采用两个相同的电路独立驱动两侧电机，共同组成一个完整的电机驱动电路[2]。小车的电机驱动电路输入电压为3.3V～ 5.0V，供桥电压为5V，桥臂压降小，用4节充电电池即可驱动，驱动电流最大值为2A。Ctrl1为PWM控制信号，Ctrl2和Ctrl3组合即可得到电机的四个工作状态：正转、反转、刹车、惰行。
（2）电机测速模块。电机的测试主要是由光电传感器完成，在车轮上设计了60个矩形齿，通过使用透射式光电采样器即可得到与车轮转速有关的脉冲信号，光敏晶体管接收到光信号后导通则输出低电平，若矩形齿和光敏晶体管的位置不重叠则接收不到光线而截止，此时输出为高电平。STM32F103RCT6利用定时器输出的脉冲来计算通过矩形齿的个数及其所用的时间，总个数除以一个车轮的齿数则可得到小车车轮总运行圈数，再乘以车轮的周长，即可得出小车走的总路程，最后用总路程除以小车的移动时间即可得到当前的速度。
（3）超声波发射模块。超声波测距的远近取决于发射的功率和接收灵敏度。作为全向发射模块，在原本的超声波发射头上安装一个反射锥会造成一定的信号衰减，造成发射信噪比下降，使得定位范围减小，增加了接收端的检波难度。发射头压电陶瓷换能器是一种通过压电陶瓷将电能转换为机械能的元器件，为了提高发射信噪比，考虑到发射模块的体积，以及提高總供电电压的难度，采用变压器对驱动的信号进行驱动升压，变压器的原、副线圈的匝数为1：20，即变比为1：20。
（4）声音接收处理单元。声源进行定位之前需要对语音进行预处理，语音信号的预处理一般包括提前滤波、加重处理、加窗等。声音接收处理单元总电路由单片机STC12LE 5612AD构成的超声波接收控制电路和四个模块电路组成，超声波接收模块电路由专用超声波声纳测距接收集成电路TL852 构成，接收模块超声波信号提取电路由低电压运放LMV358组成。
2 软件设计分析
2.1 系统算法分析
软件部分采用模块化程序设计的方法，包含主控制器、液晶显示部分子程序、键盘服务子程序、时间模块子程序等。选用AVR mega16单片机控制器，具有64K存储的Flash，在其编程环境下嵌套C高级语言，C函数与会变函数可以方便的相互调用。本系统的测距方法是由接收站轮流地向声源小车发送出一个调制成38K的红外光波，并开始计时。光波作为同步信号，通知小车发出声音，此时时间为Tstart，由于光波速度非常快，所以其从接收站发出到声源这个时间忽略不计。可以认为接收站发出光波后，声源小车马上发出声音。接收站收到声音信号后即停止计时，此时的时间为Tstop。则可到得声音传播过程中所用的时间T=Tstop-Tstart，声音传播速度为Vsd，由此可得到声音的位移量SS=Vsd*（Tstop-Tstart）。
2.2 误差分析
系统中误差主要来源于时间带来的误差。对于通信带来的时间误差，可以通过合理的选用时间随机性小的芯片、提高超声波相关函数在程序中的优先级，并通过在程序内对这个相对固定的通信误差进行补偿，从而减小其误差。修正前后误差值如表1所示。
由表1可发现只要选择合适的修正值，相对于其他因素造成的误差，由时间延迟带来的误差可以忽略不记。通过修正可以很好地减小定位误差。
3 结语
该声源定位系统主要由移动声源小车、声音接收处理单元和数据处理控制单元组成，结合多个传感器组合，通过单片机进行数据处理，使用软件进行定位计算。通过实验可得该声源定位系统具有精度高、 稳定性较好的特点，可结合惯性导航技术， 实现室内的精确定位，也可用于巡检小车、智能机器人等领域。 參考文献
[1] 刘陈.基于麦克风阵列的声源定位研究[D].湖北工业大学，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
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