聲導航自行小車研究

摘要 采用特定頻率的聲音信號作為聲源對小車進行導航，使小車能夠通過接收和處理聲信號以確定聲源方向和位置，并行進至聲源處的功能。其中，用硬件濾波電路對聲信號進行濾波處理，由FPGA計算聲信號到達的時間差，單片機計算出聲源偏離小車的角度和距離并產生PWM波驅動電機運轉。在行進過程中，小車可以自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。準確到達聲源處是聲導航自行小車的重點和難點。
關鍵詞 麥克風陣列；FPGA計時；聲源定位；單片機控制電機

導航是引導飛機、船舶、車輛以及個人安全、準確地沿選定路線，準時到達目的地的一種手段。聲定位技術是通過聲傳感裝置接收聲波，用電子裝置將聲信號轉化為電信號，再利用計算機系統對電信號進行分析處理，以實現對聲源識別、探測，并對聲目標進行定位及跟蹤的一門技術。聲定位技術以其隱蔽性強、適用性高、成本低等優點而備受重視，在軍事和民用領域有著廣泛的應用和重要意義。因此聲定位技術與導航技術結合形成有特色的聲導航自行小車。
目前的聲控移動裝置多見于采用超聲波技術躲避障礙物或通過某些語音語句控制裝置的行進路線。聲導航主要應用于聲吶、潛水器、UUV(無人水下航行器)等水下裝置，而在空氣中采用聲學方式進行導航的移動裝置還不多見。項目所研究聲導航自動小車，可以通過接收信號，判定聲源位置，確定前進方向，并通過自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。

1 硬件設計
1．1 硬件總體概況
系統包括聲發射模塊、聲接收模塊、硬件濾波模塊、計時模塊、運算控制模塊和電機驅動模塊。系統結構框圖如圖1所示。整個系統可以分為聲源定位和車體移動兩大部分。系統各模塊工作是由單片機MC9S12XS128控制協調的，它是整個系統的核心。單片機MC9S12XS128擁有128 kB的Flash程序空間，8通道24位中斷定時器，8通道16位定時器，8通道PWM波輸出和8通道12位精度的A／D轉換器；同時集成CAN，SPI，SCI和UART等通信接口；使用16 MHz外部晶振，通過鎖相環最高可倍頻至96 MHz；最小系統包括外部晶振、復位電路及BDM調試接口電路等，且該單片機性價比較高。該芯片通過FPGA計算出的時間差計算出小車與聲源的相對r和α，其中r是小車與聲源間的距離，α是聲源相對于小車的方位角，并產生合適的PWM，是小車到達聲源處。

1．2 單元模塊設計
1．2．1 聲發射模塊
模塊采用SRF05超聲波傳感器作為系統的通信模塊。作為發射端模塊，沒有使用Echo接收端的功能。該模塊采用3節干電池供電，打開焊接的開關后，指示燈亮，模塊自動發射8個周期的40 kHz方波超聲信號。空氣中幾乎沒有超聲信號，選擇40 kHz的超聲信號可以忽略空間的其他聲源的干擾。