張茂云　陳風(fēng)龍　唐晨

【摘 要】聲音導(dǎo)引系統(tǒng)可以由聲音實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的智能控制，在產(chǎn)業(yè)、民用等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。本文基于飛思卡爾單片機(jī)，設(shè)計(jì)了聲音引導(dǎo)系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)和移動(dòng)聲源系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)人性化的操作界面，利用高效簡(jiǎn)潔的算法優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了智能控制。系統(tǒng)低功耗，性?xún)r(jià)比高，經(jīng)調(diào)試和測(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)性能運(yùn)行穩(wěn)定，可以有效的實(shí)現(xiàn)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的精確控制。

【關(guān)鍵詞】聲音導(dǎo)引；無(wú)線(xiàn)收發(fā)；飛思卡爾；DG128 Atmega8

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證

1.1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

AB與AC垂直，Ox是AB的中垂線(xiàn)，O'y是AC的中垂線(xiàn)，W是Ox和O'y的交點(diǎn)。若移動(dòng)聲源與A、B、C的間距較小，會(huì)加大誤差。為保證數(shù)據(jù)有效，聲源可運(yùn)動(dòng)的范圍應(yīng)保持在ox右側(cè)。當(dāng)可移動(dòng)聲源到達(dá)ox后，應(yīng)該有燈光和聲音信號(hào)提示超過(guò)最有效的運(yùn)動(dòng)范圍。在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如若進(jìn)入ox左側(cè)區(qū)域，超出范圍應(yīng)盡量保持在2cm以?xún)?nèi)，以保證數(shù)據(jù)有效。聲源向ox運(yùn)動(dòng)且到達(dá)ox停止停止后得到聲源與ox間距，ox與聲源的間距即為定位誤差。定位誤差范圍應(yīng)保持在1cm以?xún)?nèi)。對(duì)于聲源，應(yīng)該確保發(fā)出周期性音頻脈沖信號(hào)，音頻信號(hào)頻率、脈沖周期根據(jù)下文分析選定位正常聲波，頻率在20Hz-20000Hz之間，周期在5×10-5-5×10-2之間。

平均速度=■（1）

響應(yīng)的平均速度計(jì)算方法由公式（1）明確給出，響應(yīng)時(shí)間即為聲源發(fā)出音頻信號(hào)等待反饋信號(hào)，在接收到反饋信號(hào)后開(kāi)始產(chǎn)生位移，在到達(dá)ox所在位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此次整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間。將其得到的值利用公式（1）計(jì)算得出結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

聲源的聲波選擇可以選用超聲波、正常聲波、次聲波。超聲波易檢測(cè)，且處理簡(jiǎn)單控制精度高，但由于是不符合要求的音頻信號(hào)，因此排除在外。正常聲源定位，聲波符合音頻信號(hào)范圍。但是由于其頻率低，易于受到外界干擾而不利于處理芯片采集，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先將音頻信號(hào)采集出來(lái)，然后經(jīng)過(guò)選頻濾波電路處理，得到易于處理器分析的正確頻率信號(hào)。綜合以上內(nèi)容及電路設(shè)計(jì)，最終本文介紹利用正常聲源定位。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中有涵蓋了智能控制系統(tǒng)、發(fā)聲系統(tǒng)、動(dòng)力與轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)四大模塊的移動(dòng)聲源系統(tǒng)模塊和包含接收器和主要智能控制系統(tǒng)的接收器主機(jī)系統(tǒng)模塊。這兩大模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，基本涵蓋了所有的功能。

2.1 移動(dòng)聲源部分

（1）智能控制系統(tǒng)

ATmega8是以增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)為核心的最小系統(tǒng)板為移動(dòng)聲源發(fā)聲、無(wú)線(xiàn)通信提供了靈活而低成本的解決方案。另外， ATmega8具有三通道PWM，此工能可以方便地控制舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

需要注意的是，由于機(jī)器需要長(zhǎng)時(shí)間工作，盡量避免頻繁更換電池，所以必須是低功耗、節(jié)能設(shè)計(jì)。Atmega8在4Mhz且工作電壓為3.3V（25°C）時(shí)的工作電流為3.6mA，空閑模式電流為1.0mA，最大程度上減少功耗。

（2）發(fā)聲系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用直流供電電壓6V～24V的SFM-27連續(xù)型有源蜂鳴器，產(chǎn)生頻率為3KHZ的音頻信號(hào)，與聲源接收系統(tǒng)組成整個(gè)引導(dǎo)體系的發(fā)送與接收，從而使機(jī)器移動(dòng)。

（3）動(dòng)力與轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

由上文中提到的響應(yīng)的平均速度計(jì)算方式可以計(jì)算出響應(yīng)速度的均值，在平均速度大于10cm/s的前提下，想要不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，動(dòng)力系統(tǒng)響應(yīng)速度也是非常重要的環(huán)節(jié)。

本文中采用的是Lm298芯片作為驅(qū)動(dòng)器，這是一款高壓、大電流雙全橋式的驅(qū)動(dòng)器，它的可以接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載，且為使電子元件不受輸入信號(hào)影響該芯片應(yīng)用兩抑制輸入來(lái)避免。Lm298芯片還能通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)得方式簡(jiǎn)化和減輕主控芯片的負(fù)擔(dān)。另外通過(guò)光電耦合可極大地減小對(duì)主控芯片的干擾。通過(guò)ATmega8的I/O口驅(qū)動(dòng)，能夠方便地操控步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確移動(dòng)和轉(zhuǎn)向。

（4）電源管理系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中不可或缺的管理單元即為電源管理單元，它在整個(gè)電源系統(tǒng)中扮演著重要的角色。系統(tǒng)采用12V電源供電。系統(tǒng)各個(gè)單元正常工作狀態(tài)下所需電壓不同，大致需要3.3V、5V、12V三種電壓，所以電源系統(tǒng)需將電壓值分為三個(gè)段位輸出。三個(gè)電壓檔的具體實(shí)現(xiàn)如下： LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，LM1117-3.3可將輸出電壓固定在3.3V。本系統(tǒng)選用LM1117是因?yàn)樗軌驗(yàn)橄到y(tǒng)限制電流同時(shí)有熱保護(hù)功能并且具有1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以達(dá)到為系統(tǒng)供給電壓的精度控制在±1%。

2.2 接收器主機(jī)部分

（1）接收器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由3個(gè)接收器實(shí)現(xiàn)定位，接收器由微音器與放大電路組成，并通過(guò)主機(jī)供電，接收器之間為有線(xiàn)連接。微音器的接收范圍為300～3400HZ，放大器采用LM386。

根據(jù)聲音傳輸時(shí)的衰減因數(shù)和接收端對(duì)信號(hào)的幅度要求，以及后續(xù)音頻處理芯片的處理能力，預(yù)計(jì)將音頻信號(hào)放大4000倍。放大器通過(guò)LC串聯(lián)諧振選頻電路得到中心頻率為3K的音頻信號(hào)，再經(jīng)兩片LM386級(jí)聯(lián)的放大的級(jí)聯(lián)電路放大，其中一級(jí)放大倍數(shù)為200，二級(jí)放大倍數(shù)為20倍，這可以讓信號(hào)快速進(jìn)入飽和區(qū)。

（2）接收主機(jī)智能芯片

接收主機(jī)采用飛思卡爾單片機(jī)。該系統(tǒng)的核心控制采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位HCSl2系列單片機(jī)MC9S12DGl28。其主要特點(diǎn)是高度的功能集成，易于擴(kuò)展，低電壓檢測(cè)復(fù)位功能，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器，低電壓低功耗，自帶輸入捕捉功能可以用來(lái)檢測(cè)聲音信號(hào)。

3 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

3.1 誤差信號(hào)產(chǎn)生

誤差信號(hào)的產(chǎn)生是由于聲源發(fā)出的信號(hào)頻率很低，接收端受到外界音頻信號(hào)干擾較大，濾波網(wǎng)絡(luò)難以對(duì)聲音提純。其次音頻信號(hào)的放大器搭載了兩級(jí)lm386，對(duì)噪聲也進(jìn)行了放大作用。同時(shí)在軟件編程上還存在一定的誤差。通過(guò)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)可以盡量減小誤差。

3.2 控制量設(shè)計(jì)計(jì)算

控制量是通過(guò)產(chǎn)生的誤差信號(hào)產(chǎn)生的，假設(shè)可移動(dòng)聲源在允許范圍內(nèi)任一點(diǎn)放置。將移動(dòng)聲源與A的誤差信號(hào)設(shè)為T(mén)as， 將移動(dòng)聲源與B的誤差信號(hào)設(shè)為T(mén)bs，將移動(dòng)聲源與C的誤差信號(hào)設(shè)為T(mén)cs。

首先使移動(dòng)源到達(dá)Ox線(xiàn)，當(dāng)Tas>Tbs時(shí)移動(dòng)聲源位于Ox線(xiàn)右側(cè)；當(dāng)Tas

其次使移動(dòng)源到達(dá)W點(diǎn)，當(dāng)Tas>Tcs時(shí)移動(dòng)聲源位于W點(diǎn)上方；當(dāng)Tas

4 測(cè)試結(jié)果分析

分別用計(jì)時(shí)器、米尺測(cè)量出移動(dòng)聲源運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，確定起始位到OX線(xiàn)距離，確定定位誤差、響應(yīng)時(shí)間、左偏移量并算出可移動(dòng)聲源的平均速度。

測(cè)試結(jié)果分析可知在不同起始位置出發(fā)時(shí)，小車(chē)的平均速度均幾乎可達(dá)10cm/s，滿(mǎn)足指標(biāo)要求，同時(shí)定位誤差及偏移誤差均達(dá)到題目要求標(biāo)準(zhǔn)。在聲源旋轉(zhuǎn)180度后仍可達(dá)到上述指標(biāo)。本聲源引導(dǎo)系統(tǒng)是完全符合指標(biāo)的聲源控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

根據(jù)多次測(cè)試結(jié)果顯示該聲音引導(dǎo)系統(tǒng)工作性能、穩(wěn)定性良好，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試證明還系統(tǒng)具定位精度高，相應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量誤差低等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)的同時(shí)還發(fā)現(xiàn)算法還具有較大的改進(jìn)空間，其一、可以在移動(dòng)端增加反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)、降低相應(yīng)時(shí)間；其二可以在移動(dòng)端增加轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)360度的定位。另外，該系統(tǒng)功耗低，性?xún)r(jià)比高，具有的潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值。