楊 云，王君波，范中磊

(1.長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西西安710064;2.歐比特控制工程股份有限公司，廣東珠海519080)

0 引言

聲源定位技術(shù)快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用到民用軍工的各個(gè)領(lǐng)域。如移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)聲源定位技術(shù)控制攝像頭，使其轉(zhuǎn)向感興趣的方向［1］。直升機(jī)和無(wú)人機(jī)等目標(biāo)識(shí)別，聲源定位技術(shù)可有效彌補(bǔ)雷達(dá)探測(cè)的盲區(qū)［2］。聲源定位算法的研究可分為三類(lèi):基于時(shí)延估計(jì)的定位方法、基于波束形成的定位方法和基于高分辨率空間譜估計(jì)的定位方法［3］。其中基于時(shí)延估計(jì)的定位方法因其小運(yùn)算量和低復(fù)雜度的優(yōu)點(diǎn)［4］，被嵌入式系統(tǒng)廣泛采用。本文基于TI低功耗單片機(jī)MSP430F149，采用修正任意三角形時(shí)延估計(jì)聲源定位方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種有效近場(chǎng)可移動(dòng)聲源定位系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)和所采用定位算法的正確性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由移動(dòng)聲源，聲音接收處理，無(wú)線通訊和軟件處理四大部分組成。移動(dòng)聲源模塊主要以MSP403F149控制的小車(chē)為載體，以一片CC1101無(wú)線模塊觸發(fā)聲音的開(kāi)啟和終止，聲音產(chǎn)生由兩片NE555芯片自激振蕩驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，獨(dú)立產(chǎn)生周期性的可調(diào)頻率聲音信號(hào)。聲音接收處理模塊分為接收電路和處理電路，接收電路由4個(gè)麥克風(fēng)拾音器組成陣列，接收聲音信號(hào)并進(jìn)行放大濾波，再將信號(hào)送入MSP430F149單片機(jī)處理，處理算法采用基于到達(dá)時(shí)間差的修正任意三角形雙曲線定位法，基于MSP430的嵌入式C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，是否開(kāi)始接收聲音信號(hào)由另一片無(wú)線模塊CC1101觸發(fā)。聲源與接收模塊之間采用無(wú)線通訊，采用一對(duì)CC1101無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)。軟件處理部分，對(duì)送入單片機(jī)的信號(hào)，計(jì)算其中3個(gè)麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)的時(shí)差，基于聲音信號(hào)到達(dá)不同位置拾音器的時(shí)間差，采用修正任意三角形時(shí)延估計(jì)TDOA的定位方法［4］，分析得到移動(dòng)聲源的位置，另一個(gè)拾音器修正定位誤差，選取最佳定位結(jié)果，并在LCD液晶屏顯示定位結(jié)果坐標(biāo)值。移動(dòng)聲源可按照隨機(jī)路徑移動(dòng)，也可由聲音接收模塊經(jīng)無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)和命令，控制移動(dòng)聲源，移動(dòng)聲源再做相應(yīng)調(diào)整，沿設(shè)定路徑移動(dòng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用美國(guó)德州儀器公司16位單片機(jī)MSP430F149，其內(nèi)核CPU運(yùn)行正交RISC指令集，片內(nèi)16個(gè)寄存器，ROM和RAM統(tǒng)一編址，可產(chǎn)生ACLK、MCLK和SMCLK這3種不同的時(shí)鐘［5］;有P1～P6共48個(gè)GPIO端口并可獨(dú)立編程，提供WATCHDOG、Timer_A和Timer_B這3個(gè)16位時(shí)鐘;有USART0與USART1兩個(gè)串行通信接口，在P6口提供8通道12位獨(dú)立快速模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，采樣速度可到200kbps;中斷源較多，并可任意嵌套，中斷請(qǐng)求喚醒只需6us;FLASH存儲(chǔ)器多達(dá)60KB，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次;帶7個(gè)捕獲/比較寄存器。MSP430F149的工作電壓1.8V～3.6V，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［6］。MSP430F149與TI其它MSP430系列微處理器一樣，對(duì)所有外圍模塊的控制，均通過(guò)特殊寄存器實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)程序較簡(jiǎn)單，有專(zhuān)用的編程器，支持C語(yǔ)言和匯編，可用IAR的WORKBENCH IDE和CSPY直接在線編譯和調(diào)試程序，非常靈活［7］。

本設(shè)計(jì)硬件由三部分組成，一部分為測(cè)試用的移動(dòng)聲源產(chǎn)生模塊，以車(chē)載MSP430F149為控制核心，兩片NE555芯片獨(dú)立產(chǎn)生可調(diào)頻率聲音，單片機(jī)僅控制聲音的開(kāi)始和終止，從而降低硬件模塊的耦合度。車(chē)體移動(dòng)可按隨機(jī)路徑移動(dòng)，也可在CC1101數(shù)據(jù)控制下按照定位模塊設(shè)置預(yù)定路線移動(dòng)。另一部分為定位模塊，以定位MSP430F149為控制核心，聲音采集由麥克風(fēng)拾音器、前置放大和帶通濾波電路組成，開(kāi)始和終止聲音采集由CC1101模塊數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果控制，CC1101與MSP430F149通過(guò)SPI協(xié)議連接，定位運(yùn)算基于聲音到達(dá)3個(gè)麥克風(fēng)陣列的時(shí)差，并采用一個(gè)麥克風(fēng)冗余修正計(jì)算誤差，結(jié)果顯示到12864LCD液晶屏。聲源產(chǎn)生和定位模塊之間采用無(wú)線通訊，采用一對(duì)CC1101實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的發(fā)送和接收。聲源產(chǎn)生的硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

聲音接收模塊的硬件設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖2 聲源模塊

圖3 聲音接收模塊

本設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸采用美國(guó)德州儀器公司的CC1101模塊實(shí)現(xiàn)，CC1101是一種低成本的單片無(wú)線收發(fā)器，通信頻率低于1GHz，在CC1100的電路改版基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，主要面向工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療 (ISM)和短距離設(shè)備 (SRD)的無(wú)線連接，頻段范圍為315/433/868/915MHz，編程容易，頻率變更簡(jiǎn)便。CC1101芯片具有數(shù)據(jù)包處理，數(shù)據(jù)緩沖，突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，清晰信道評(píng)估連接質(zhì)量指示，電磁波激發(fā)和無(wú)線電喚醒 (WOR)等功能。CC1101的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收先進(jìn)先出堆棧 (FIFO)可通過(guò)SPI接口控制，片內(nèi)集成頻率合成器，無(wú)需外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換，僅需少量外部元件，可容易實(shí)現(xiàn)單片UHFRF收發(fā)器［8］。受發(fā)射功率和天線結(jié)構(gòu)約束，CC1101的有效傳輸距離在300～500m范圍內(nèi)，對(duì)于本設(shè)計(jì)為有效距離。

CC1101通過(guò)4線的SPI接口實(shí)現(xiàn)與MCU的通訊，軟件采用C語(yǔ)言編程，MSP430F149與CC1101的硬件接口原理如圖4所示。

圖4 CC1101與MSP430F149連接原理

3 聲音定位系統(tǒng)算法原理

由于近場(chǎng)環(huán)境混響和噪聲干擾嚴(yán)重影響定位結(jié)果，目前定位技術(shù)中適用于近場(chǎng)聲源定位的主要有新提出的MUSIC和傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法兩種，其中MUSIC定位算法復(fù)雜度較高，需要特殊DSP支持［9］，且定位效果不佳，所以傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)法還是目前近場(chǎng)聲源定位領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［10］。時(shí)延估計(jì)法的原理是，根據(jù)音頻信號(hào)到達(dá)不同位置麥克風(fēng)拾音器的時(shí)間差TDOA(time difference of arrival)，計(jì)算出移動(dòng)聲源相對(duì)于各個(gè)拾音器的位置，從而判斷出移動(dòng)聲源所處的位置。在基于時(shí)延估計(jì)的定位算法中，主要有歸一化正方形算法，平面正方形算法，任意三角形算法和修正任意三角形算法。其中歸一化和正方形法，均需要4個(gè)拾音器按照正方形排列，取正方形中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，歸一化法取坐標(biāo)軸分別平行正方形的兩條邊，平面正方形法取坐標(biāo)軸重疊正方形的對(duì)角線，雖然算法簡(jiǎn)單，但是拾音器的排列形式固定，所以不適合拾音器任意排列的場(chǎng)合。任意三角形法僅需3個(gè)拾音器，構(gòu)成一個(gè)平面三角形，選取任意一拾音器位置點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義水平方向?yàn)闃O坐標(biāo)軸，借助三角形函數(shù)關(guān)系可以得到聲源的極坐標(biāo)值。平面任意三角形定位算法又稱為基于時(shí)延估計(jì)的雙曲線定位法，其中TDOA雙曲線定位算法原理如圖5所示。

圖5 三陣列TDOA平面定位

三拾音器陣列TDOA定位方程如式 (1)～式 (4)所示

其中c為音頻信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度，可選取定值，Δt1為音頻信號(hào)到達(dá)拾音器1和拾音器2的時(shí)間差，Δt2為音頻信號(hào)到達(dá)拾音器1和拾音器3的時(shí)間差，R為聲源到拾音器1的直線距離，r1為聲源到拾音器2的直線距離，r2為聲源到拾音器3的直線距離，D1為拾音器1和拾音器3之間的直線距離，D2為拾音器1和拾音器3之間的直線距離，選取極坐標(biāo)原點(diǎn)為拾音器1所在位置，極坐標(biāo)參考線如圖5所示，解方程 (1)～方程 (4)可求得聲源位置坐標(biāo)的極坐標(biāo)值為 (R，b)。

修正任意三角形定位算法，是在任意三角形算法的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)拾音器4，其中修正TDOA雙曲線定位算法原理如圖6所示。

可測(cè)得音頻信號(hào)到達(dá)拾音器1和拾音器4的時(shí)間差Δt3，在任意三角形定位算法中音頻信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度c為一定值，在修正任意三角形算法中，可假設(shè)c有一個(gè)變化范圍，即 (c－Δc，c+Δc)，同時(shí)選取速度變化的步長(zhǎng)為δ，則每個(gè)速度c+nδ(n=±1，±2，…)可以由任意三角形算法求得一個(gè)聲源位置坐標(biāo) (Rn，bn)，可構(gòu)成一個(gè)聲源解的集合。真實(shí)的聲源位置包含在這組解集中，而且滿足條件

圖6 修正三陣列TDOA平面定位

修正后的任意三角形定位算法，不僅可以確定最佳的聲源位置坐標(biāo)，而且可以獲得音頻信號(hào)在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中的真實(shí)傳播速度解。

實(shí)驗(yàn)選取實(shí)驗(yàn)矩形長(zhǎng)為L(zhǎng)米，寬為W米，固定于矩形4個(gè)頂角的拾音器為A、B、C和D，移動(dòng)聲源為S，聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 聲音定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)聲音定位算法基于任意三角形雙曲線時(shí)延估計(jì)TDOA的方法，在已知長(zhǎng)和寬的矩形4個(gè)頂角，部署4個(gè)高精度拾音器，實(shí)時(shí)采集在矩形內(nèi)移動(dòng)的一個(gè)聲源發(fā)出的音頻信號(hào)，雖然實(shí)驗(yàn)中不能獲得音頻信號(hào)到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間，但是可以獲得相對(duì)到達(dá)的時(shí)差。

因?yàn)槁曇粼诮橘|(zhì)中的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，所以音頻信號(hào)到達(dá)A，B，C和D這4個(gè)拾音器的時(shí)間不相同。算法選擇B點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義A點(diǎn)坐標(biāo)為 (x1，y1)，B點(diǎn)坐標(biāo)為 (x2，y2)，聲源S點(diǎn)的坐標(biāo)為 (x，y)，聲音在空氣中的傳播速度為c=340m/s，音頻信號(hào)達(dá)到B的時(shí)刻為t1，到達(dá)A的時(shí)刻為t2，到達(dá)C的時(shí)刻為t3，到達(dá)D的時(shí)刻為t4，所以可得到方程 (6)～方程 (11)

可選方程 (6)～方程 (8)任兩個(gè)求解，以及方程(9)～方程 (11)相應(yīng)的兩個(gè)，構(gòu)成4個(gè)方程求解，余下的一個(gè)拾音器驗(yàn)證所得結(jié)果，根據(jù)是否滿足式 (5)的條件，從而剔除任意三角形雙曲線求解定位后的偽點(diǎn)，求得最佳聲源位置。

4 聲音定位系統(tǒng)軟設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件采用交叉編譯的模式，主操作系統(tǒng)為Windows 7 professional(64)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR公司的Embedded Workbench for Msp430(version 5.30.1)，仿真調(diào)試采用SF_BSL430(version1.10)。發(fā)聲模塊的軟件流程如圖8所示。

圖8 聲源模塊軟件流程

接收模塊的軟件流程如圖9所示。

圖9 接收模塊軟件流程

無(wú)線模塊CC1101的軟件流程如圖10所示。

定位算法主要源碼清單:

//函數(shù)依次輸入flagfour［0］～ ［3］

void Locat(uint d1，uint d2，uint d3，uint d4)

{uint tmp;long f1，f2，f3，f4;

tmp=d2;d2=tmp－d1;//換算坐標(biāo)，參考點(diǎn)為

tmp=d3;d3=tmp－d1;//左下角拾音器

圖10 無(wú)線模塊軟件流程

tmp=d4;d4=tmp－d1;

f1=d3*(d3－d2);f2=d4*(d4－d2);

f3=c*c*d2*(f1－f2);//c=345m/s空氣中音速

f4=l*w*(d2+d4－d3);//l=500，w=400

x=f3/f4+l; //x坐標(biāo)值

f1=d2*(d4－d2);f2=d3*(d4－d3);

f3=v*v*d4*(f1－f2);

f4=w＜＜2－w;y=f3/f4+w;//y坐標(biāo)值}

//MSP430TimerB中斷服務(wù)函數(shù)

#pragma vector=TIMERB0_VECTOR

__interrupt void Timer_B(void)

{cnt++;

if(cnt＜5)

{//判斷第一個(gè)上升沿到達(dá)并返回標(biāo)志

flag=Flag_FirstUp();

switch(TBIV){//分辨定時(shí)器中斷向量

case 0x02://0x02H，捕獲比較1

if(flagfour［0］!=1)

flagfour［0］=TBCCR1;//讀取 CCR1

else

flagfour［0］=0;

break;

case 0x04://0x04H，捕獲比較2

if(flagfour［1］!=1)

flagfour［1］=TBCCR2;//讀取 CCR2

else

flagfour［1］=0;

break;

case 0x06://0x06H，捕獲比較3

if(flagfour［2］!=1)

flagfour［2］=TBCCR3;//讀取 CCR3

else

flagfour［2］=0;

break;

case 0x08://0x08H，捕獲比較4

if(flagfour［3］!=1)

flagfour［3］=TBCCR4;//讀取 CCR4

else

flagfour［3］=0;

break;}//end of switch

}

else

{TBCCTL1=CM_0; //禁止捕獲

TBCCTL2=CM_0;

TBCCTL3=CM_0;

TBCCTL4=CM_0;

Disp12864(); //LCD顯示函數(shù)

}}

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)取矩形區(qū)域:L=500mm，W=400mm。

設(shè)定目標(biāo)位置坐標(biāo)，選取有代表性的位置，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，觀察并記錄坐標(biāo)的顯示數(shù)據(jù)并計(jì)算絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

分析以上測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)總體功能和誤差已達(dá)到要求。LCD可實(shí)時(shí)顯示聲源坐標(biāo)，聲源系統(tǒng)可控制移動(dòng)，功耗低，性價(jià)比較高。由于聲音在不同的介質(zhì)和環(huán)境中傳播速度存在有一定的偏差的。實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，造成聲音傳播速率有較小誤差。而且聲音信號(hào)很容易被噪聲干擾，本系統(tǒng)可提高濾波電路的性能，從而改善系統(tǒng)總體性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

可移動(dòng)聲源平面定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)聲音對(duì)機(jī)器人等智能移動(dòng)設(shè)備的有效控制，尤其是在受光線制約并且攝像頭無(wú)法滿足要求的情形下，聲音移動(dòng)聲源定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，可作為光和視頻控制的有效補(bǔ)充。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠完成移動(dòng)物體的一般定位控制需求，誤差在合理范圍內(nèi)，但是定位算法的精度和系統(tǒng)的抗噪能力還有待進(jìn)一步提高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有成本低、功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可以方便快捷地應(yīng)用到聲音智能控制設(shè)備中。

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