基于到达时差的声音定位系统的研究与实现

2462 2010,31 (11) 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 0 引 言 目前智能机器人的定位跟踪主要是依靠视觉定位和听觉 听位来实现，由于视觉场被限定在小于 180°的范围内，且不能 穿过不透光的障碍物，因此单纯依靠机器人视觉获取外界信息 来进行定位的精度相对较低。相对于视觉信号来说，声音信号 在时间轴上是一维的，在空间上是沿球面径向传播的，任何方 向上的传感器都能接收到声波，因此通过对声音信号的采集和 处理，判断出机器人的大致位置，然后引导机器人移动至目标 位置的声音引导定位系统是机器人智能化领域内的一个研究 热点。本文将单片机系统 (MC9S12XDP512) 与无线收发模块 (nRF24L01)、发音系统、拾音系统相结合，研制了一套基于到达 时差的声音引导的移动声源定位系统。该系统采用 3 个固定 于不同位置的高精度拾音器来采集同一个移动声源发出的音 频信号，然后根据音频信号到达拾音器对的到达时间差TDOA (time difference of arrival)来计算出移动声源相对于各个拾音器 的位置，从而精确判断出移动声源所处的位置 [1]。实践 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 该 定位系统可以准确地定位移动声源的位置，精度较高。 1 系统设计 1.1 系统结构 本系统采用 3个成 L形排布的间隔为 1米的高精度拾音 器来完成对移动声源 S所发出的音频信号的采集。单片机系 统根据音频信号分别传递到A、B、C这 3个拾音器的到达时间 差 TDOA来计算出移动声源 S相对于 3个拾音器的位置，从 而得出S点的平面坐标 和 ，然后根据该平面坐标来控制声 源的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的 一系列动作 [2]。声音定位系统的结构如图 1所示。 1.2 系统原理 本系统采用两个独立的MC9S12XDP512单片机系统[3,5](声 源外部单片机系统和声源内部单片机系统) 来分别完成对音 频信号的采集与处理和对移动声源的运动控制 [4]两方面的任 收稿日期：2009-10-17；修订日期：2009-12-18。 基金项目：长安大学校青年基金项目 (06Z15)。 作者简介：韩毅 (1975－)，男，陕西三原人，博士后，副教授，CCF会员，研究方向为机电一体化与检测仪器开发； 吴初娜 (1985－)，女，浙 江舟山人，硕士研究生，研究方向为车辆控制与网络通讯技术； 李龙飞 (1988－)，男，河北衡水人，研究方向为车辆控制软件系统。 E-mail：hanhany@gmail.com 基于到达时差的声音定位系统的研究与实现 韩 毅 1,2， 吴初娜 1， 李龙飞 1 (1. 长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2. 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084) 摘 要：为了解决机器人视觉定位的局限性，使其能精确判断出移动音源所处的位置，提出了一种由 3路高精度拾音、2个单 片机控制系统、移动发声装置和无线收发模块组成的声音定位系统的原理与实现方法。该系统采用基于到达时差的方法来 确定移动音源的位置，先获得声音信号到达拾音器对的时间差，再根据到达时间差和拾音器的位置获得移动音源的位置。 实验结果表明，该定位方法具有结构简单、精度较高等优点，可满足对机器人利用声音进行定位的需要。 关键词：声音定位; 单片机控制; 移动声源; 无线传输; 到达时差 中图法分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2010) 11-2462-04 Research and development of sound localization system based on time difference of arrival HAN Yi1,2, WU Chu-na1, LI Long-fei1 (1. School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract：To solve the limitation of visual localization of robots and to locate moving sound source position accurately, a theory and implementation of sound localization system is presented which consists of three high accuracy pickup devices, two SCM control systems, a moving sound-generating mechanism and a wireless data transmission module. The system uses a method of time difference of arrival to locate the moving sound source position. Firstly, the time difference of sound signals arriving at two pickup devices is obtained, and then the moving sound source position is gotten according to the TDOA and the pickup devices positions. The result proves this locali- zation method has the advantage of simple structure and high precision. It can fulfill the requiring of using sound signals to locate robot system. Key words：sound signals localization; SCM control; moving sound source; wireless data transmission; TDOA 嵌入式系统工程 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 韩毅，吴初娜，李龙飞：基于到达时差的声音定位系统的研究与实现 2010,31 (11) 2463 务，其中两个单片机系统之间采用无线通信模块进行数据通 讯。移动声源内的单片机系统控制发音系统发出音频信号， 位于A、B、C这 3点的拾音器接收到音频信号并进行放大处理 后，将其传送给声源外部单片机系统；该单片机系统对三路音 频信号进行分析计算后得出移动声源 S所在位置的X与Y坐 标( ， )，然后通过无线通信模块之间的数据传输，将 S点的 平面坐标发送给声源内单片机系统；声源内单片机系统接收 到 X与 Y坐标并进行相应处理后，控制移动声源根据设定的 运动轨迹移动，从而达到机器人按规定路线智能前进的目标。 系统的控制模块结构如图 2所示。 2 模块实现 2.1 音频信号发送 本系统中的发音系统采用型号为 SFM-27-W的压电式蜂 鸣器，在单片机系统的控制下持续不断地产生固定频率为 3KHz 的正弦音频信号。该压电式峰鸣器的相关性能参数如 下：额定电压，12V；电压范围，3~24V；额定电流，12mA；声压电 平，95dB；谐振频率，2500~3500 Hz；工作温度，-20~+60℃；储存 温度，-30~+70℃。 发音系统采用开关电路来控制蜂鸣器电源的通断，从而 使其产生断续的正弦音频信号。为了使环境中的回声消失， 拾音器在环境达到安静状态后再采集音频信号，控制蜂鸣器 每次发声延续 0.3秒并中断 2 秒。开关电路采用场效应管专 用的驱动集成芯片 IR2304驱动 IRL3803场效应管来控制蜂鸣 器的电源通断 [6-7]，从而对音频信号的断续进行控制。音频发 声模块的电路如图 3所示。 2.2 音频信号的采集 本系统采用以NE5532为核心的 LY-901拾音器来对蜂鸣 器产生的间断音频信号进行采集。该拾音器按 AA类放大器 原理进行设计，从而消除了拾音器由于与后级负载之间连线 长短、连线上分布电容大小、负载输入阻抗等原因而对拾音质 量造成的影响。其电器参数如下：工作电压，6-12VDC；频率响 应，100-5500Hz；输出信号幅度，2.5Vpp/-25db；输出阻抗，600 。 采集到的 3路音频信号进入单片机系统的数模转换模块，进 行模拟/数字转换，以进行后续的数字处理。 采用 LY-901 拾音器采集到的音频信号的波形图及其局 部放大图如图 4所示。 2.3 音频信号的处理 A、B、C这 3路 LY-901拾音器采集到的音频信号经过单 片机系统的模拟/数字转换化后的波形如图 5所示。 由图 5可知，由于声音在空气中的传播时间与传播距离 成正比，所以音频信号到达A,B,C 3个拾音器的时间是不相同 的，因此只要在 3路数字化后的音频信号中找到各自声波的 起始点对应的时间就能够计算出音频信号到达 3路拾音器的 时间差 和 。为求得较为精确的到达时间差，我们采用 如下算法予以计算。首先采用每 1路的音频信号波形减去其 图 1 声音定位系统结构 1mO 拾音器 A 拾音器 B S 移动 声源1m 拾音器 C 图 2 系统的控制模块结构 移动声源 车体 CPU 舵机转向 驱动电机 声光模块 无线接收 音频发送音频接收 无线发送 音频引导系统 电源模块 电源模块 外场 CPU 图 3 音频发声模块原理 VCC 1 2 3 4 8 7 6 5 SPEAK_CTL LIN HIN VCC COM VB HO VS LO U1 D1 DIODE VCC IR2304 30 R2 C1 LS1 Q1 SPEAKER IRL3803 VCC 0.1uF 图 4 音频信号的波形图及其局部放大 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.197 0.198 0.199 0.06 0.04 0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06 (a) (b) 0.2 0.201 0.202 0.203 0.204 0.205 0.206 2464 2010,31 (11) 计算机工程与设计 Computer Engineering and Design 平均值后。对于A、B这 2路音频信号来说，在零点附近必然有 ｛ * +1 <0* +1 <0 式中：N——采样时刻点。由于计算得到的 N可认为是近似零 点，所以可以得到不同周期中，各正负变换点处的零时刻值。 在每一采样时刻，可以计算出各周期中的 。即 零 零 = 然后，根据统计原理，对 的出现频率分布进行分析，最 后取出现频率最大的那个值作为最终的 值。这样，便完成 了 的提取工作。同理，可计算得到 的值。 根据通过上述方法得到的 和 值，可以依据双曲线 定位原理建立移动声源 S所在的两条双曲线的方程组 [8](假定 声音在空气中的传播速度为 340 m/s)，分别为 ｛ = 340*= 340* 由于拾音器 A、B、C这 3点的位置坐标是已知的，分别为 (0,0)，(1,0)和 (0,1)，从而可以建立如下的方程组来求解两条双 曲线的交点S的位置坐标( , )。双曲线定位原理如图 6所示。 ｛ 2+ 2 2+ 1 2 = 340*2+ 2 1 2+ 2 = 340* (0< <1,0< <1) 2.4 单片机之间的无线数据通讯 本系统中的两个MC9S12XDP512单片机系统之间的数据 传输采用 nRF24L01无线通信模块进行通讯。nRF24L01是单 片射频收发芯片，工作于 2.4~2.5 GHz的 ISM频段，最高工作 速率 2Mbps，工作电压为 1.9~3.6 V，I/O端口具有 5V的容忍度， 支持最高 8Mbps的 SPI接口，因此可通过 MC9S12XDP512单 片机的 SPI端口对其写入和读出数据。 nRF24L0l的数据传输有突发传递(ShockBurst)和增强型突 发传递(Enhanced ShockBurst)两种模式。后者比前者多了一个 确认数据传输的信号，从而保证了数据传输的可靠性，使双向 链路的通信更易于控制和实现，因此我们使用增强型突发传 递模式来传输数据。MC9S12XDP512 单片机与 nRF24L01 无 线通信模块的电路连接及其数据包 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 如图 7所示。 nRF24L01无线通信模块发送和接收数据的工作流程为： 移动声源内的nRF24L01接收到数据包后，由硬件解析地址数 据和信息数据。当接收到有效信息数据时，在 IRQ引脚产生 中断，并通知移动声源内的 XDP512单片机系统读取数据。移 动声源外的 nRF24L0l发送完数据包后，自动切换到接收模式 以接收由移动声源内单片机系统返回的确认信号。收到确认 信号后，同样会在 IRQ引脚产生中断。如果没有握手信号返 回，则器件会自动重新发送数据包。如果重新发送的次数超 过了设定的最多重发次数，也会在 IRQ引脚产生中断。移动 声源内单片机接收到中断后，通过查询 STATUS寄存器的值， 来判断是发送完成中断，还是重发次数超限中断，从而决定是 继续重发还是进行下一步的工作。 2.5 移动声源 S的运动控制 在移动声源S的发声与运动过程中，根据 和 的值， 可以随时计算得到 S 点的平面坐标 和 。假设移动声源 S 需要运动到W点的平面坐标为 和 。这样，便可得到小车 的目标运动轨迹，如图 8中 SW线段。 由图 8可以得到小车运动的航向角 和前进里程SW如下 ｛ = arctan= 2+ 2 移动声源内单片机系统根据航向角 来控制自身的转向 角，根据 SW的里程长度来驱动电机，从而使移动声源 S朝向 图 6 双曲线定位原理 A O B X 双曲线 1 W S C Y 双曲线 2 图 7 单片机与 nRF24L01的电路连接及其数据包格式 开始 地址3~5 字节 标志位 9字节 有效载荷 32字节 CRC 2字节 PS3 PT0 SS SCK MOSI MISO CE IRQ ISN SCK MOST MISO MC9S12XDP512 nRF24L01 图 8 运动轨迹控制 O W S (Xw,Yw) (Xs,Ys) 图 5 3路音频信号数字化后的波形图 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 10 韩毅，吴初娜，李龙飞：基于到达时差的声音定位系统的研究与实现 2010,31 (11) 2465 W点运动，并最终到达W点。在前进过程中移动声源 S间断 发声，单片机系统通过多次计算，实时刷新航向角 和前进里 程 SW的值，从而实时修正小车行进过程中的航向和前进距 离，并最终到达W点。 3 实验检测 3.1 实验方法与流程 根据上述方法所搭建的智能声音定位系统，外观如图 9 所示。本系统性能的验证实验在普通的实验室环境中进行。 3个高精度拾音器安装固定于地上，互相间隔 1m成L形排布， 并设置它们的高度与移动声源 S的高度水平等高，且都面朝 移动声源 S，以便能更好的接收发音系统所发送的音频信号。 在整个实验过程中，发音系统持续不断地产生固定频率为 3Khz的正弦音频信号；然后声源外部单片机系统根据拾音系 统所采集的音频信息确定目标位置的大致方向，并通过无线 数据模块之间的通信将数据传输给声源内部单片机；声源内 部单片机系统根据所接收的信息对路径情况进行分析后确定 小车的行进路线。整个智能声音定位系统的控制流程，如图 10所示。 3.2 实验结果与分析 通过大量的研究与试验表明，采用基于到达时差 TDOA 的智能声音定位系统可以准确地定位移动声源的位置，实际 定位精度误差小于±1cm，定位性能稳定可靠，定位方法简单方 便。该定位方法利用无音频信号至拾音器采集到音频信号的 转换点作为时间差的判断点，从而避免了对多路音频信号的 相位相关性计算，大大的降低了程序的计算工作量，便于单片 机进行实时处理。利用该智能声音定位系统能够使机器人在 进行定位时具有更强的智能性和鲁棒性。 4 结束语 本文给出了采用两个单片机系统协同工作，利用音频信 号的到达时间差对移动声源进行精确定位，并通过采用无线 通信模块来完成两个单片机系统之间的数据传输的智能声 音定位系统的原理及实现方法。利用该系统可以判断目标 位置的大致方向，然后引导移动声源运动到某一目标位置或 按某一个设定目标轨迹前进。采用本 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 搭建的声源定位 系统与传统的采用相位角进行判断的声音定位方法相比具 有传感器数量少，测量精度高，定位速度快，数据处理方法简 单方便等优点。 参考文献: [1] 曹学斌,郭相科,刘进忙.基于到达时差法的目标定位系统[J].指 挥控制与仿真,2006,28(3):57-60. 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