王 君，謝之光，呂東航，候 剛

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

基于超聲波定位的舞臺(tái)自動(dòng)追光燈設(shè)計(jì)

王 君，謝之光，呂東航，候 剛

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

由于舞臺(tái)燈光發(fā)熱量大，人工控制燈光跟蹤舞臺(tái)演員不可能一個(gè)人長(zhǎng)時(shí)間完成，而且燈光耀眼，給操作者帶來(lái)很大難度，因此急需一種可以自動(dòng)控制跟蹤演員的設(shè)備?；诖?，本文介紹了超聲波定位原理，然后提出了一種基于STM32單片機(jī)并結(jié)合無(wú)線通訊技術(shù)和超聲波技術(shù)的舞臺(tái)自動(dòng)追光燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本超聲波定位系統(tǒng)不只局限于舞臺(tái)追蹤，還可以擴(kuò)大范圍，應(yīng)用到其他工程現(xiàn)場(chǎng)。如：用于礦坑里的工人定位，可以避免工人的誤操作走入不安全的區(qū)域，也可在發(fā)生礦難時(shí)，及時(shí)趕到曠工遇難現(xiàn)場(chǎng)拯救曠工生命。

舞臺(tái)追光；STM32單片機(jī)；無(wú)線通訊技術(shù)；超聲波定位技術(shù)

追光燈的運(yùn)用是舞臺(tái)藝術(shù)中不可或缺的重要手段，達(dá)到突出重點(diǎn)、塑造人物形象、烘托環(huán)境氣氛的目的。本文提出舞臺(tái)燈光隨動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)想及實(shí)現(xiàn)的方式。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)很好地完成燈光隨動(dòng)功能，降低演出成本，節(jié)省人力、物力，完善舞臺(tái)燈光技術(shù)中追光燈的功能和自動(dòng)化控制的程度。

1 超聲波定位原理

本系統(tǒng)利用3個(gè)固定在空中的超聲波節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)在三維直角坐標(biāo)系中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位，總體空間分布圖［1］如圖1所示。

圖1中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)，即所需要定位的節(jié)點(diǎn)，2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)為固定超聲波接收節(jié)點(diǎn)，由于受到超聲波的發(fā)射角的限制，所以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成空間結(jié)構(gòu)，從而可以保證1號(hào)節(jié)點(diǎn)在三維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以使2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)收到發(fā)射的超聲波，且假定各超聲波接收模塊的高度均為H，2號(hào)節(jié)點(diǎn)與3號(hào)節(jié)點(diǎn)、3號(hào)節(jié)點(diǎn)與4號(hào)節(jié)點(diǎn)都為L(zhǎng)。

本文選用聲波傳播時(shí)間測(cè)量法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距［2］。為了消除接收信號(hào)中回波的影響，本文利用聲速相對(duì)光速慢的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種新的聲波傳播時(shí)間測(cè)量法：將超聲波發(fā)射傳感器與射頻發(fā)射模塊置于A端，而將超聲波的接收傳感器與射頻的接收傳感器置于B端，先從A端發(fā)射射頻信號(hào)，告之B端發(fā)射超聲波，由于電磁波的傳播速度比聲速大得多，所以可以忽略射頻的傳播時(shí)間，從A端發(fā)射射頻開始計(jì)時(shí)，到B端收到超聲波信號(hào)為止，記錄這段時(shí)間，則可以用式s=vt來(lái)計(jì)算A端與B端的距離（其中v為聲速，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)測(cè)試時(shí)溫度基本恒定在25℃，所以聲速可取恒定值346.575 m/s），利用這種方法，可以分別得到系統(tǒng)空間分布圖中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到3個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離a、b、c，以此可在空間直角坐標(biāo)系中建立3個(gè)球面方程［3］。

圖1 系統(tǒng)空間分布圖Fig.1 The spatial distribution map of the system

即：

聯(lián)立方程可解得1號(hào)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x0，y0，z0）：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由攜帶機(jī)系統(tǒng)和主系統(tǒng)兩部分構(gòu)成［4-5］，攜帶機(jī)系統(tǒng)由舞臺(tái)演員攜帶，定時(shí)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)和超聲波信號(hào)。主系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收無(wú)線電信號(hào)和超聲波信號(hào)，并經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得到攜帶機(jī)的空間坐標(biāo)，從而調(diào)整燈光的照射方向，對(duì)演員進(jìn)行實(shí)時(shí)追光。

2.1 攜帶機(jī)系統(tǒng)

攜帶機(jī)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，并由NRF905無(wú)線芯片、超聲波發(fā)射電路以及獨(dú)立電源組成。攜帶機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 攜帶機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.2 The block diagram of carrying machine system

2.1.1 STC89C52微控制器

本設(shè)計(jì)的微控制器采用的是 STC89C52，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種高性能CMOS8位微控制器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，且支持在線系統(tǒng)編程、無(wú)需編程器、方便系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)。系統(tǒng)工作時(shí)，STC89C52定時(shí)給NRF905無(wú)線模塊和超聲波發(fā)射模塊觸發(fā)信號(hào)使其發(fā)射無(wú)線電信號(hào)和超聲波信號(hào)。

2.1.2 NRF905無(wú)線模塊

NRF905無(wú)線芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz無(wú)線數(shù)傳芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz 的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1.3 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電壓是3～5 V，其主要特點(diǎn)是采用變壓器升壓，加在發(fā)射頭上的電壓峰-峰值約 60 ～80 V，使得發(fā)射功率大大增加，這樣一方面為增加距離提供可能，另一方面為提高精度打下基礎(chǔ)，因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)，使得回波檢測(cè)更加可靠。圖中C8、C9為微調(diào)負(fù)載電容，為了達(dá)到諧振。P1、R4、R5為余波抑制電路，因?yàn)槔昧俗儔浩骱桶l(fā)射頭的諧振，好處是能得到近似正弦波。但附帶的問題是：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止后，由于諧振的原因，發(fā)射頭還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射，直至能量在變壓器的次級(jí)線包直流電阻上消耗完，這樣就導(dǎo)致在近距離測(cè)量時(shí)，回波都到了，余波還未結(jié)束，導(dǎo)致測(cè)量失敗。所以設(shè)計(jì)了一個(gè)余波抑制電路，將變壓器初級(jí)構(gòu)成回路，利用初級(jí)較小的電阻快速消耗掉次級(jí)的能量。R3是為了可靠而設(shè)計(jì)的，因?yàn)槟K是通過插頭連接的，難免有加上了電壓卻沒有加驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況，此時(shí)將有可能導(dǎo)致MOS管導(dǎo)通。

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 The ultrasonic transmitting circuit

2.2 主系統(tǒng)

主系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，并由NRF905無(wú)線芯片、超聲波接收電路、二自由度的舵機(jī)系統(tǒng)以及光源組成。主系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 主系統(tǒng)框圖Fig.4 The block diagram of the main system

2.2.1 STM32微控制器

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM？Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。本系統(tǒng)采用增強(qiáng)型系列，增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；STM32功耗36 mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz。系統(tǒng)工作時(shí)，STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)接收無(wú)線電信號(hào)和超聲波信號(hào)，快速的獲取目標(biāo)的空間坐標(biāo)并及時(shí)的調(diào)整燈光的照射方向。

2.2.2 超聲波接收電路

圖5為超聲波接收電路的核心部分，由專用超聲波接收集成電路TL852構(gòu)成的超聲波信號(hào)檢測(cè)電路。這是按照TL852手冊(cè)上的推薦電路設(shè)計(jì)的，參數(shù)是針對(duì)40 kHz頻率的。這部分完成了回波的放大和檢出。其主要特色是選頻和變?cè)鲆?，此外是靈敏度改變比較容易。

圖6為超聲波接收電路的輸出信號(hào)提取部分：由低電壓運(yùn)放LMV358組成，因?yàn)榭紤]要和3 V供電的MCU配合，所以選用了支持滿幅輸出的LMV358。電路為兩部分，前面是一級(jí)跟隨器，為了提高輸入阻抗，減小對(duì)TL852輸出電容積分的影響。第二級(jí)是比較器，為了輸出下降沿較好的信號(hào)給MCU。

圖5 超聲波接收電路Fig.5 The ultrasonic receiving circuit

圖6 超聲波接收電路的信號(hào)提取部分電路Fig.6 The signal extraction circuit of the ultrasonic receiving circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)也由攜帶機(jī)系統(tǒng)軟件和主系統(tǒng)軟件兩部分組成，攜帶機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)模塊：NRF905模塊、超聲波發(fā)射模塊。其中NRF905模塊用于發(fā)射無(wú)線電波信號(hào)，超聲波發(fā)射模塊用于發(fā)射超聲波信號(hào)。攜帶機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。上電復(fù)位后，初始化NRF905，單片機(jī)每隔50 ms同時(shí)向：NRF905模塊和超聲波發(fā)射模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)使其發(fā)射無(wú)線電信號(hào)和超聲波信號(hào)。主系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)模塊：NRF905模塊、三路超聲波接收模塊以及二自由度舵機(jī)系統(tǒng)。其中NRF905模塊用于接收無(wú)線電波信號(hào)，三路超聲波接收模塊用于接收超聲波信號(hào)，二自由度電機(jī)用于控制燈光的照射方向。主系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。上電復(fù)位后，初始化NRF905并禁止超聲波接收模塊接收超聲波信號(hào)。當(dāng)NRF905接收到無(wú)線電信號(hào)后產(chǎn)生中斷，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)。當(dāng)某一路超聲波接收模塊接收到超聲波信號(hào)后產(chǎn)生中斷，單片機(jī)在中斷中計(jì)算出改路超聲波接收節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的距離。三路都接收到超聲波信號(hào)后可以由超聲波定位原理得到攜帶機(jī)的空間坐標(biāo)［6-7］，然后單片機(jī)控制二自由度的舵機(jī)調(diào)整光源的照射方向。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)以stm32單片機(jī)作為主控芯片機(jī)并結(jié)合無(wú)線通訊技術(shù)和超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)的舞臺(tái)自動(dòng)追光燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功地解決人工控制燈光跟蹤舞臺(tái)演員的問題。經(jīng)過測(cè)試［8］，在所選實(shí)驗(yàn)條件下，超聲波傳感器的發(fā)射距離超過1 000 cm，基本可以實(shí)現(xiàn)在800.0 cm*800.0 cm的舞臺(tái)中使用，另外也適合于各種需要自動(dòng)追蹤燈光的工作。

圖7 攜帶機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 The flow chart of software design of main system

圖8 主系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 The flow chart of software design of carrying machine system

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Stage chasing light design based on ultrasonic positioning

WANG Jun，XIE Zhi-guang，LV Dong-hang，HOU Gang
（College of Instrument Science and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130021，China）

Due to a lot of heat of the stage lighting，one person cannot control the light to track the actor for a long time and bright lights bring great difficulty to the operator，so a device which can be controlled to track the actor automatically is urgently needed.Based on this，the paper describes the ultrasonic positioning principle，and then propose a stage chasing light system design based on STM32 microcontroller combined with wireless communication technology and ultrasonic technology.This ultrasonic positioning system is not limited to the stage tracking，and it can also be expanded to the scope of application to other project site.For example:it can be used for mine workers positioning to avoid the workers enter into unsafe areas for a mistake，and in the event of a mine，it can help rushing to the scene to save the victims of absenteeism life.

stage cha microcontroller；wireless communication technology；ultrasonic positioning technology

TN912.2

A

1674－6236（2016）04-0004-03

2015-04-02 稿件編號(hào)：201504020

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金項(xiàng)目（2014A65292）

王 君（1955—），男，山東乳山人，教授。研究方向：傳感器技術(shù)及應(yīng)用。