劉 坤,欒 雨,袁 帥,張曉光

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

1 引 言

聲源定位在工業(yè)、軍事、民用等領(lǐng)域有非常重要的意義[1],如機(jī)械中故障診斷、電力狀態(tài)檢測(cè)及軍事中探測(cè)敵方飛機(jī)等。文獻(xiàn)[2]提出利用接收聲音信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行聲源定位,但定位精度較低。文獻(xiàn)[3]提出利用聲波的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行聲源定位,但要求聲傳感器之間的時(shí)間嚴(yán)格同步,實(shí)現(xiàn)較為困難。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了一種基于TDOA算法的聲源定位系統(tǒng)。

該聲源定位系統(tǒng)基于TDOA算法[4]獲得4個(gè)聲傳感器之間的相對(duì)時(shí)間差,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率聲波的檢測(cè)。采用平面四元十字陣列建立的聲傳感器陣列實(shí)現(xiàn)位置解算,獲得聲源坐標(biāo)。硬件上該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了鎖相環(huán)路、51單片機(jī)和運(yùn)算放大器等元器件,軟件上利用C51語(yǔ)言編寫代碼,實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定頻率聲波的定位。

2 系統(tǒng)框圖

基于TDOA算法的聲源定位系統(tǒng)可滿足使用者對(duì)不同頻率聲波的定位與檢測(cè),其系統(tǒng)框圖如圖1所示。硬件電路主要采用51單片機(jī)和聲傳感器相結(jié)合,首先51單片機(jī)通過(guò)接收聲傳感器所發(fā)出的高電平信號(hào)觸發(fā)中斷,進(jìn)行時(shí)間差獲取;然后應(yīng)用TDOA算法和平面四元十字陣列得到聲源所在的三維直角坐標(biāo),并在顯示模塊顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 算法實(shí)現(xiàn)

基于TDOA的定位主要利用4個(gè)聲傳感器采集聲源發(fā)出的聲波信號(hào),如圖2所示,其定位主要分為兩步。

圖2 基于TDOA的定位

第一步,獲得4個(gè)聲傳感器之間的相對(duì)時(shí)間差。因?yàn)?個(gè)聲傳感器位置不同,且與聲源的距離不同,因此4個(gè)聲傳感器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間延遲不同。通過(guò)聲傳感器接收聲源聲波,被鎖相環(huán)路識(shí)別之后對(duì)51單片機(jī)的引腳輸出低電平,并通過(guò)51單片機(jī)的定時(shí)器中斷而獲得。

第二步,采用平面四元十字陣列[5]來(lái)建立聲傳感器陣列(如圖3所示),實(shí)現(xiàn)位置解算,獲得聲源坐標(biāo)。圖3中,設(shè)O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),聲源點(diǎn)為P(x,y,z),聲傳感器的位置分別為S1,S2,S3,S4,聲傳感器距離原點(diǎn)的距離為L(zhǎng),聲源P距離聲傳感器S1,S2,S3,S4的距離分別為R1,R2,R3,R4。

圖3 平面四元十字聲傳感器陣列

由幾何關(guān)系可知,通過(guò)確定聲源P與坐標(biāo)原點(diǎn)O之間的距離R,P點(diǎn)關(guān)于xoy平面的俯仰角θ,以及聲源P點(diǎn)在xoy平面的投影關(guān)于x軸正半軸的方位角φ,就可以得到聲源P的準(zhǔn)確坐標(biāo)。根據(jù)直角坐標(biāo)和球坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,可得到P點(diǎn)相應(yīng)的球坐標(biāo)為P(Rsinθcosφ,Rsinθsinφ,Rcosθ),0°<θ<90°。

選擇4個(gè)聲傳感器中的S1作為基準(zhǔn),記錄其余3個(gè)聲傳感器S2,S3,S4相對(duì)于基準(zhǔn)聲傳感器S1的時(shí)延差τ21,τ31,τ41。根據(jù)幾何關(guān)系,可得下列方程組:

(1)

式中,c為聲速,L為聲傳感器與原點(diǎn)O之間的距離,(x,y,z)為目標(biāo)聲源P的坐標(biāo),R1為聲源與基準(zhǔn)聲傳感器S1之間的距離,其表達(dá)式為:

(2)

通過(guò)計(jì)算可得聲源坐標(biāo)的直角坐標(biāo)為:

(3)

俯仰角及方位角的表達(dá)式為:

(4)

通過(guò)分析可知,若已知聲傳感器與原點(diǎn)O之間的距離L以及各個(gè)聲傳感器之間的時(shí)延差,即可得到聲源P的坐標(biāo)。

4 軟硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件

采集到的聲波信號(hào)首先送入芯片LM358進(jìn)行信號(hào)放大,接下來(lái)送入到芯片LM567中進(jìn)行鑒頻。LM358內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器,有極高的穩(wěn)定性,聲波信號(hào)通過(guò)LM358可以增強(qiáng)信號(hào)的可識(shí)別性。LM567是一個(gè)高穩(wěn)定性的低頻集成鎖相環(huán)路解碼器,擁有良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩(wěn)定度。LM567所鑒定的頻率公式為:f0≈Ct/1.1×(Rt×Ct)Ct,式中Rt為外界定時(shí)電阻,Ct為外界定時(shí)電容[6]。由公式可知,只需設(shè)定好定時(shí)電阻與定時(shí)電容的值,便可得到所要識(shí)別的目標(biāo)聲波頻率。

若檢測(cè)到聲波信號(hào)的頻率是LM567芯片設(shè)定的目標(biāo)頻率,說(shuō)明該聲波信號(hào)是目標(biāo)聲源發(fā)出的,便可輸出一個(gè)低電平信號(hào)觸發(fā)定時(shí)器中斷,進(jìn)行后續(xù)的時(shí)間計(jì)時(shí)、計(jì)算定位。聲波獲取及鑒頻部分電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 聲波獲取及鑒頻部分電路設(shè)計(jì)圖

51單片機(jī)通過(guò)接收鑒頻輸出口的低電平觸發(fā)定時(shí)器中斷,進(jìn)而計(jì)算出4個(gè)聲傳感器之間的時(shí)間差,為之后目標(biāo)聲源的三維直角坐標(biāo)計(jì)算打下基礎(chǔ)。51單片機(jī)電路連接如圖5所示,其中單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、晶振以及復(fù)位電路3部分組成。4個(gè)鑒頻輸出口連接在P3.0,P3.1,P3.2以及P3.3,LCD1602顯示模塊連接在P0端口以及P2.7,P2.6和P2.5。

圖5 51單片機(jī)連接圖

STC89C52連接4個(gè)運(yùn)放鑒頻電路,4個(gè)聲傳感器采取平面四元十字陣列排放,當(dāng)接收到第1個(gè)運(yùn)放鑒頻電路有低電平信號(hào)輸出時(shí),便開始計(jì)時(shí)。當(dāng)其余3個(gè)運(yùn)放鑒頻電路也分別接收到目的信號(hào)并觸發(fā)中斷時(shí),便得到了3個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間,也就是3個(gè)相對(duì)時(shí)延。之后利用TDOA算法和平面四元十字陣列結(jié)合的結(jié)論,得到聲源確切位置。定位系統(tǒng)通過(guò)LCD1602液晶屏將聲源三維坐標(biāo)顯示在屏幕上,本文所設(shè)計(jì)的聲源定位裝置如圖6所示。

圖6 聲源定位裝置

4.2 軟件

51單片機(jī)持續(xù)檢測(cè)4個(gè)聲傳感器所連接引腳的電平值,當(dāng)有1個(gè)聲傳感器接收到外界特定頻率的聲波時(shí),便會(huì)輸出一個(gè)低電平。51單片機(jī)檢測(cè)到低電平時(shí),便會(huì)觸發(fā)定時(shí)器中斷,進(jìn)而將4個(gè)聲傳感器之間的時(shí)間差記錄在一個(gè)數(shù)組中,并計(jì)算目標(biāo)聲源三維坐標(biāo),程序流程圖如圖7所示。聲傳感器之間的時(shí)間差所產(chǎn)生的誤差對(duì)于目標(biāo)聲源坐標(biāo)的計(jì)算有極大的影響,為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性,對(duì)于程序代碼的精簡(jiǎn)有著更高的要求。采用C51語(yǔ)言所編寫的程序更接近硬件底層,因此在計(jì)算時(shí)間差上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖7 程序運(yùn)行流程圖

5 系統(tǒng)性能分析

駐極體式傳感器接收外界聲波信號(hào),將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并將電信號(hào)傳遞給LM358雙運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大,提高可辨識(shí)度。經(jīng)過(guò)放大后的電信號(hào)送入LM567鎖相環(huán)路中,LM567通過(guò)改變定時(shí)電阻的電阻值與定時(shí)電容的電容值來(lái)設(shè)置所要定位聲波的頻率,通過(guò)比對(duì)放大后電信號(hào)的頻率是否與預(yù)設(shè)頻率一致來(lái)選擇是否輸出低電平給51單片機(jī)。若預(yù)設(shè)頻率值與放大后電信號(hào)的頻率不一致,則繼續(xù)監(jiān)聽;若預(yù)設(shè)頻率值與放大后電信號(hào)的頻率一致,則輸出低電平傳遞給51單片機(jī)。51單片機(jī)接收到低電平后便觸發(fā)定時(shí)器中斷,并計(jì)算出4個(gè)聲傳感器之間的時(shí)間差,進(jìn)而得出目標(biāo)聲源的三維直角坐標(biāo)。

對(duì)于定位結(jié)果的模擬可通過(guò)Proteus軟件實(shí)現(xiàn),而對(duì)于實(shí)際定位的結(jié)果則是通過(guò)具體聲源對(duì)于該聲源定位設(shè)備的測(cè)試,并將結(jié)果顯示在LCD1602液晶屏幕上(如圖8所示)。

圖8 LCD1602顯示聲源坐標(biāo)

5.1 定位準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

對(duì)于聲源定位設(shè)備的誤差分析,是根據(jù)實(shí)際聲源的位置坐標(biāo)與LCD1602液晶顯示屏上所顯示的位置坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì),通過(guò)多次測(cè)量取平均值并畫出誤差曲線。在確定聲波強(qiáng)度一定的情況下,采用按鍵控制蜂鳴器輸出PWM波,實(shí)現(xiàn)固定頻率的聲波輸出,通過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)在安靜環(huán)境情況下的定位性能與嘈雜環(huán)境情況下的定位性能如圖9所示。

圖9 誤差分析

由圖9可以看出,聲源定位系統(tǒng)的誤差約為2%～7%。在相同聲源距離的情況下,嘈雜環(huán)境下的定位誤差大于安靜環(huán)境下的定位誤差,說(shuō)明環(huán)境噪聲會(huì)對(duì)設(shè)備的定位性能造成一定的影響。若環(huán)境噪聲中具有所要識(shí)別的頻率聲波且強(qiáng)度較大,則設(shè)備的定位性能將大大減弱。在安靜環(huán)境下,誤差的產(chǎn)生主要由以下幾點(diǎn)所致:(1)電路結(jié)構(gòu)采用面包板連接方式,該連接方式會(huì)給電路連接帶來(lái)一些便捷,但會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,進(jìn)而產(chǎn)生誤差;(2)單片機(jī)采用的代碼是以C51語(yǔ)言所編寫,相較于匯編語(yǔ)言的高效與高速,C51語(yǔ)言代碼的冗余會(huì)使得時(shí)延差的計(jì)算出現(xiàn)誤差,進(jìn)而導(dǎo)致定位坐標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生偏差;(3)測(cè)量實(shí)際聲源的位置時(shí),存在因?yàn)闇y(cè)量工具或測(cè)量手法所產(chǎn)生的儀器誤差與操作誤差。

進(jìn)一步分析誤差產(chǎn)生的原因可知,通過(guò)改變電路連接方式,例如采用PCB板焊接的方式即可避免大部分誤差。對(duì)于程序代碼冗余的問題,則可以通過(guò)精簡(jiǎn)代碼、優(yōu)化代碼等方式解決。而對(duì)于儀器誤差與操作誤差,則可以通過(guò)多次測(cè)量并取平均值的方法來(lái)修正。

5.2 抗干擾性能評(píng)價(jià)

該系統(tǒng)控制器核心采用51單片機(jī),當(dāng)有噪聲疊加在駐極體式傳感器上時(shí),會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。由于這些噪聲的隨機(jī)性,該系統(tǒng)通過(guò)鎖相環(huán)路濾波技術(shù)剔除虛假信號(hào),獲得真正的聲波信息。鎖相環(huán)路的中心頻率確定之后,可以濾除大部分噪聲干擾,其抗干擾的特點(diǎn)為:外界噪聲中無(wú)目標(biāo)頻率聲波時(shí),定位效果極佳;外界噪聲為高斯白噪聲時(shí),定位效果略受干擾;外界噪聲中充斥大量目標(biāo)頻率聲波時(shí),定位效果較差。該設(shè)備適用于特定環(huán)境下,如機(jī)械運(yùn)行故障發(fā)出特定頻率聲波的情況。通過(guò)試驗(yàn)仿真及設(shè)備測(cè)試,當(dāng)外加干擾強(qiáng)度不過(guò)大時(shí),抗干擾能力良好,靈敏度也較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種易于實(shí)現(xiàn)、較為簡(jiǎn)易的聲源定位系統(tǒng)方案。通過(guò)駐極體式傳感器對(duì)外界聲波進(jìn)行接收,并通過(guò)LM358運(yùn)算放大器對(duì)所接收的聲波信號(hào)進(jìn)行放大,同時(shí)通過(guò)LM567鎖相環(huán)路的鑒頻,實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波頻率的鑒定。利用單片機(jī)的中斷程序,結(jié)合TDOA算法,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)聲源的定位。該聲源定位系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是采用了非數(shù)字信號(hào)處理的方式,借助于鎖相環(huán)路的固有屬性實(shí)現(xiàn)了對(duì)固定頻率聲波的定位。后續(xù),團(tuán)隊(duì)基于該系統(tǒng)研究聲源定位改進(jìn)方案,通過(guò)對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析,結(jié)合梅爾倒譜濾波器及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定音色聲波的定位。