摘要 采用特定頻率的聲音信號(hào)作為聲源對(duì)小車進(jìn)行導(dǎo)航，使小車能夠通過(guò)接收和處理聲信號(hào)以確定聲源方向和位置，并行進(jìn)至聲源處的功能。其中，用硬件濾波電路對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波處理，由FPGA計(jì)算聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，單片機(jī)計(jì)算出聲源偏離小車的角度和距離并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在行進(jìn)過(guò)程中，小車可以自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。準(zhǔn)確到達(dá)聲源處是聲導(dǎo)航自行小車的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 麥克風(fēng)陣列；FPGA計(jì)時(shí)；聲源定位；單片機(jī)控制電機(jī)

    導(dǎo)航是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人安全、準(zhǔn)確地沿選定路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的一種手段。聲定位技術(shù)是通過(guò)聲傳感裝置接收聲波，用電子裝置將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源識(shí)別、探測(cè)，并對(duì)聲目標(biāo)進(jìn)行定位及跟蹤的一門技術(shù)。聲定位技術(shù)以其隱蔽性強(qiáng)、適用性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受重視，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和重要意義。因此聲定位技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合形成有特色的聲導(dǎo)航自行小車。
    目前的聲控移動(dòng)裝置多見(jiàn)于采用超聲波技術(shù)躲避障礙物或通過(guò)某些語(yǔ)音語(yǔ)句控制裝置的行進(jìn)路線。聲導(dǎo)航主要應(yīng)用于聲吶、潛水器、UUV(無(wú)人水下航行器)等水下裝置，而在空氣中采用聲學(xué)方式進(jìn)行導(dǎo)航的移動(dòng)裝置還不多見(jiàn)。項(xiàng)目所研究聲導(dǎo)航自動(dòng)小車，可以通過(guò)接收信號(hào)，判定聲源位置，確定前進(jìn)方向，并通過(guò)自主追蹤移動(dòng)聲源，修正移動(dòng)路徑。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件總體概況
    系統(tǒng)包括聲發(fā)射模塊、聲接收模塊、硬件濾波模塊、計(jì)時(shí)模塊、運(yùn)算控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)可以分為聲源定位和車體移動(dòng)兩大部分。系統(tǒng)各模塊工作是由單片機(jī)MC9S12XS128控制協(xié)調(diào)的，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。單片機(jī)MC9S12XS128擁有128 kB的Flash程序空間，8通道24位中斷定時(shí)器，8通道16位定時(shí)器，8通道PWM波輸出和8通道12位精度的A／D轉(zhuǎn)換器；同時(shí)集成CAN，SPI，SCI和UART等通信接口；使用16 MHz外部晶振，通過(guò)鎖相環(huán)最高可倍頻至96 MHz；最小系統(tǒng)包括外部晶振、復(fù)位電路及BDM調(diào)試接口電路等，且該單片機(jī)性價(jià)比較高。該芯片通過(guò)FPGA計(jì)算出的時(shí)間差計(jì)算出小車與聲源的相對(duì)r和α，其中r是小車與聲源間的距離，α是聲源相對(duì)于小車的方位角，并產(chǎn)生合適的PWM，是小車到達(dá)聲源處。

1．2 單元模塊設(shè)計(jì)
1．2．1 聲發(fā)射模塊
    模塊采用SRF05超聲波傳感器作為系統(tǒng)的通信模塊。作為發(fā)射端模塊，沒(méi)有使用Echo接收端的功能。該模塊采用3節(jié)干電池供電，打開(kāi)焊接的開(kāi)關(guān)后，指示燈亮，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)周期的40 kHz方波超聲信號(hào)?？諝庵袔缀鯖](méi)有超聲信號(hào)，選擇40 kHz的超聲信號(hào)可以忽略空間的其他聲源的干擾。
1．2．2 聲接收及硬件濾波模塊
    該模塊也采用SRF05超聲波傳感器作為系統(tǒng)的通信模塊，作為接收端，沒(méi)有使用發(fā)射功能。接收端接收信號(hào)后，通過(guò)硬件濾波，判斷是否為有效信號(hào)。圖2為接收模塊的電路圖。若接收到40 kHz的信號(hào)電路導(dǎo)通，I／O口Echo輸出高電平、OUT端輸出1；若接收到的信號(hào)中沒(méi)有40 kHz的信號(hào)電路不導(dǎo)通，I／O口Echo為低電平、OUT端為0。該系統(tǒng)使用了3個(gè)接收端，其位置關(guān)系如圖3所示。

1．2．3 FPGA計(jì)算時(shí)間差模塊
    模塊采用Altera FPGA CyclonelI EP2C5T144計(jì)算時(shí)間差。信號(hào)接收端1接收到有效信號(hào)后觸發(fā)FPGA的計(jì)數(shù)器，接收端2接收到有效信號(hào)后停止計(jì)數(shù)且觸發(fā)另一個(gè)計(jì)數(shù)器，接收端3接收到有效信號(hào)后停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)數(shù)值乘以FPGA的頻率可以得到兩個(gè)時(shí)間差。
1．2．4 單片機(jī)模塊
    采用飛恩卡爾智能車芯片MC9S12XS128。該芯片接收到FPGA傳來(lái)的兩個(gè)時(shí)間差，再利用麥克問(wèn)距、聲速算出聲源距離小車的距離r和角度α，并產(chǎn)生合適的PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)使小車準(zhǔn)確到達(dá)聲源處。

2 軟件設(shè)計(jì)
    圖3為系統(tǒng)程序流程圖。

2．1 聲源定位算法設(shè)計(jì)
    如圖4所示，在小車上安裝3個(gè)等間距的端口，間距為d，且3個(gè)端口在同一直線上。要測(cè)量的是點(diǎn)聲源M與中心陣元曰的距離r與方位角α。

    t12為聲源到達(dá)端口1和2的時(shí)間差；t23為聲源達(dá)到端口2、3的時(shí)間差；陣元間距為d；聲速為c。在遠(yuǎn)場(chǎng)平面波近似條件下，由幾何關(guān)系得
   
    利用角度估計(jì)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，但仍不放棄柱面波和球面波的假設(shè)，由余弦定理和泰勒展開(kāi)得到目標(biāo)距離
   
2．2 FPGA算法設(shè)計(jì)
    FPGA根據(jù)聲接收模塊的信號(hào)，進(jìn)行時(shí)間差計(jì)算。當(dāng)有一路信號(hào)有效時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，另外兩路信號(hào)同時(shí)有效時(shí)停止計(jì)數(shù)，且計(jì)數(shù)結(jié)果可以借助計(jì)數(shù)器的存儲(chǔ)功能得以存儲(chǔ)。所用FPGA主頻為50 MHz，時(shí)間差=計(jì)數(shù)值×0．02μs。根據(jù)兩次的時(shí)間差值，利用定位算法可以實(shí)現(xiàn)定位功能。此外還設(shè)置了各路鎖存信號(hào)，可以判別出聲源的左右位置。圖5為利用Quartus II所設(shè)計(jì)的FPGA簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)的電路圖。

2．3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法設(shè)計(jì)
    選用雙直流電機(jī)的小車模型進(jìn)行試驗(yàn)，兩個(gè)電機(jī)分別對(duì)小車左側(cè)的兩個(gè)車輪和右側(cè)的兩個(gè)車輪進(jìn)行控制。預(yù)設(shè)PWM波的頻率值為10kHz。在單片機(jī)MC9S12XS128芯片特定的應(yīng)用程序CodeWarrior IDE中進(jìn)行代碼編寫(xiě)。針對(duì)不同的電機(jī)系統(tǒng)，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)并判斷合適的轉(zhuǎn)向、延時(shí)時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)
    采用40 kHz的信號(hào)有利于避免外界干擾，使信號(hào)的誤判率降低。系統(tǒng)采用FPGA與單片機(jī)結(jié)合的形式進(jìn)行聲導(dǎo)航，使小車能夠準(zhǔn)確到達(dá)聲源處。電機(jī)運(yùn)行環(huán)境和路面狀況不同時(shí)，由r和α產(chǎn)生合適的PWM比較困難，需要不斷調(diào)試，最終找到合適的PWM。該技術(shù)方案還可推廣，搭載家用小型餐桌、兒童搖籃、電腦桌和餐廳餐車等以實(shí)現(xiàn)智能行走功能，為生活提供方便。