卞曉曉 王玉才

摘 要： 設(shè)計(jì)了由聲音導(dǎo)引小車運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用聲音信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)物體定位。系統(tǒng)由地面部分和移動(dòng)小車部分構(gòu)成。地面裝置通過(guò)MSP430F449單片機(jī)控制nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)出控制指令，小車接收到相應(yīng)控制指令后車上的揚(yáng)聲器發(fā)聲。地面部分根據(jù)發(fā)送指令到接收聲音的延遲時(shí)間，計(jì)算小車的坐標(biāo)位置，導(dǎo)引小車運(yùn)動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)放大濾波電路，減少了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高了定位精度。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機(jī)； 聲音定位； 導(dǎo)引； 濾波器設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）06-41-03

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外在測(cè)距及定位技術(shù)方面常用到激光測(cè)距、超聲波測(cè)距、GPS定位、Wi-Fi定位、超寬帶定位等技術(shù)[1]。目前隨著聲音測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，使得定位技術(shù)又有了快速發(fā)展，在視頻會(huì)議、語(yǔ)音識(shí)別、目標(biāo)定位和助聽(tīng)裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[2-3]。本文給出一種基于MSP430F449單片機(jī)，利用音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)聲音定位，并精確導(dǎo)引小車（聲源在移動(dòng)小車上）到達(dá)指定目的地的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)該系統(tǒng)的研究有利于智能產(chǎn)品在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一個(gè)由聲音導(dǎo)引系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用聲音信號(hào)實(shí)現(xiàn)即時(shí)物體定位，從而控制物體運(yùn)動(dòng)到指定位置。該系統(tǒng)由地面部分和移動(dòng)小車部分構(gòu)成。其中地面部分包括單片機(jī)控制模塊、放大濾波模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、顯示模塊。移動(dòng)小車部分包括單片機(jī)控制模塊、發(fā)聲模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電機(jī)控制模塊等。地面裝置通過(guò)MSP430F449單片機(jī)控制nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)出控制指令[4]，小車接收到相應(yīng)控制指令后使車上的揚(yáng)聲器發(fā)聲。地面部分根據(jù)發(fā)送指令到接收聲音的延遲時(shí)間，計(jì)算小車的坐標(biāo)位置，導(dǎo)引小車的運(yùn)動(dòng)。實(shí)物布局與坐標(biāo)如圖1所示。

1.2 原理與計(jì)算

需要測(cè)量的數(shù)據(jù)為無(wú)線電信號(hào)與聲音信號(hào)之間的時(shí)間差，從而可得出小車距接收器a的直線距離La：

1.3 軟件控制原理

移動(dòng)小車由電機(jī)控制芯片L298，無(wú)線接收模塊，發(fā)聲模塊構(gòu)成。地面系統(tǒng)發(fā)出使小車準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，發(fā)出信號(hào)的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到地面麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)停止，通過(guò)兩者的時(shí)間差計(jì)算出小車距目標(biāo)的距離，進(jìn)而發(fā)送指令控制小車運(yùn)動(dòng)。地面上的系統(tǒng)可以通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示小車距地面接收器的距離La和Lb。小車控制部分流程圖和地面控制部分流程圖分別如圖2和圖3所示。

1.4 發(fā)聲部分電路設(shè)計(jì)

選擇高頻喇叭作為聲源。輸入信號(hào)接在函數(shù)信號(hào)發(fā)生器上，麥克的接收信號(hào)接在示波器上，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率，發(fā)現(xiàn)喇叭在輸入頻率為40KHz左右時(shí)，麥克能明顯接收到信號(hào)，而且受語(yǔ)音信號(hào)和電機(jī)聲音信號(hào)的干擾較小。由于在實(shí)際中單片機(jī)發(fā)出40KHz頻率信號(hào)時(shí)功率較小，在信號(hào)加到揚(yáng)聲器之前，采用4069作為反向器構(gòu)成放大電路。電路中增加9013、9012實(shí)現(xiàn)放大功能，得到了更好的效果，其電路如圖4所示。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

采用L298驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。雖然沒(méi)有使用步進(jìn)電機(jī)，采用直流電機(jī)配上碼盤以后能夠達(dá)到理想的精確控制效果。實(shí)際設(shè)計(jì)中，小車走過(guò)1米，碼盤計(jì)數(shù)500下，精度可達(dá)2mm。

1.6 無(wú)線模塊部分

無(wú)線電通信部分采用nRF24L01無(wú)線模塊。該模塊采用2.4GHz全球開(kāi)放ISM頻段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；具有126頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制；體積小巧。模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接由各種單片機(jī)控制[5]。該無(wú)線模塊采用PCB天線，傳輸距離十米左右。由于聲波接收電路的有效距離在十米以內(nèi)，所以該無(wú)線模塊可以很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

1.7 聲音接收部分電路設(shè)計(jì)

采用普通的麥克作接收端，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，使選頻網(wǎng)絡(luò)的接收頻率在4.4KHz左右。喇叭的輸入頻率是喇叭的起振頻率，并不是發(fā)出的聲波頻率。聲音接收電路主要包括前置放大、選頻網(wǎng)絡(luò)、全波整流、直流放大及整形電路，電路圖如圖5所示。選用的頻率范圍避免了日光燈等環(huán)境噪聲對(duì)接收電路的干擾。在測(cè)試過(guò)程中這樣的頻率范圍也避免了小車運(yùn)動(dòng)中直流電機(jī)工作產(chǎn)生的干擾。

1.8 程序設(shè)計(jì)部分代碼

2 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)能夠根據(jù)聲音信號(hào)的返回時(shí)間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聲源定位，具有低功耗、響應(yīng)速度快、性價(jià)比高、定位精度較高的特點(diǎn)，因此在測(cè)距、定位方面具有一定的應(yīng)用前景。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)改變聲音頻率改善聲音接收效果，使本系統(tǒng)具有更寬的定位范圍。

參考文獻(xiàn)：

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