声导航自行小车研究

摘要 采用特定频率的声音信号作为声源对小车进行导航，使小车能够通过接收和处理声信号以确定声源方向和位置，并行进至声源处的功能。其中，用硬件滤波电路对声信号进行滤波处理，由FPGA计算声信号到达的时间差，单片机计算出声源偏离小车的角度和距离并产生PWM波驱动电机运转。在行进过程中，小车可以自主追踪移动声源，修正移动路径。准确到达声源处是声导航自行小车的重点和难点。
关键词 麦克风阵列；FPGA计时；声源定位；单片机控制电机

导航是引导飞机、船舶、车辆以及个人安全、准确地沿选定路线，准时到达目的地的一种手段。声定位技术是通过声传感装置接收声波，用电子装置将声信号转化为电信号，再利用计算机系统对电信号进行分析处理，以实现对声源识别、探测，并对声目标进行定位及跟踪的一门技术。声定位技术以其隐蔽性强、适用性高、成本低等优点而备受重视，在军事和民用领域有着广泛的应用和重要意义。因此声定位技术与导航技术结合形成有特色的声导航自行小车。
目前的声控移动装置多见于采用超声波技术躲避障碍物或通过某些语音语句控制装置的行进路线。声导航主要应用于声呐、潜水器、UUV(无人水下航行器)等水下装置，而在空气中采用声学方式进行导航的移动装置还不多见。项目所研究声导航自动小车，可以通过接收信号，判定声源位置，确定前进方向，并通过自主追踪移动声源，修正移动路径。

1 硬件设计
1．1 硬件总体概况
系统包括声发射模块、声接收模块、硬件滤波模块、计时模块、运算控制模块和电机驱动模块。系统结构框图如图1所示。整个系统可以分为声源定位和车体移动两大部分。系统各模块工作是由单片机MC9S12XS128控制协调的，它是整个系统的核心。单片机MC9S12XS128拥有128 kB的Flash程序空间，8通道24位中断定时器，8通道16位定时器，8通道PWM波输出和8通道12位精度的A／D转换器；同时集成CAN，SPI，SCI和UART等通信接口；使用16 MHz外部晶振，通过锁相环最高可倍频至96 MHz；最小系统包括外部晶振、复位电路及BDM调试接口电路等，且该单片机性价比较高。该芯片通过FPGA计算出的时间差计算出小车与声源的相对r和α，其中r是小车与声源间的距离，α是声源相对于小车的方位角，并产生合适的PWM，是小车到达声源处。

1．2 单元模块设计
1．2．1 声发射模块
模块采用SRF05超声波传感器作为系统的通信模块。作为发射端模块，没有使用Echo接收端的功能。该模块采用3节干电池供电，打开焊接的开关后，指示灯亮，模块自动发射8个周期的40 kHz方波超声信号。空气中几乎没有超声信号，选择40 kHz的超声信号可以忽略空间的其他声源的干扰。