基于聲波的智能小車定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-

1、TECHNOLOGY WIND摘要本文提出一種聲波定位、語音導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)分為聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和移動(dòng)聲源系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng),注重對(duì)聲波采集和聲波發(fā)生進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)聲波定位導(dǎo)航智能小車達(dá)到了比較理想的效果。關(guān)鍵詞超聲波測(cè)距;控制;單片機(jī)基于聲波的智能小車定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)王澤元(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院電氣工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春13005221世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步飛速發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)的控制領(lǐng)域起著越來越重要的作用。工業(yè)生產(chǎn)、生活的自動(dòng)化都離不開智能化的機(jī)器。譬如:人們對(duì)太空的探索,在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作等等都需要智能化行走、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。智能小車作為物美價(jià)廉的行走運(yùn)動(dòng)

2、機(jī)構(gòu)被人們廣泛應(yīng)用。同時(shí),這些智能化的設(shè)備和裝置欲按人的意愿實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行,就必須受可控制的、有規(guī)律的內(nèi)外因子的引導(dǎo)和控制。聲音是自然界最普遍最易辨別的交際信號(hào),并且其頻率、響度都是很容易控制的物理量。于是,聲音作為引導(dǎo)和控制智能化機(jī)器的因子之一廣受青睞。本文注重對(duì)以單片機(jī)為控制核心,基于聲波的智能小車定位導(dǎo)航系統(tǒng)研究。1聲波定位導(dǎo)航原理日常生活中充滿了各種各樣的聲音,為什么人類能夠準(zhǔn)確分辨聲音的空間方位呢?人類的耳朵,生長(zhǎng)在頭部?jī)蓚?cè),雙耳接收到同一聲源發(fā)射的聲波信息具有細(xì)小差別。大腦對(duì)左右耳接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行分析、分辨和識(shí)別,最終確定聲源的方位。人類判斷方位主要依靠的兩個(gè)重要指標(biāo):ILD 耳

3、間強(qiáng)度差和ITD 耳間時(shí)間差。本文正是基于以上人耳辨別聲音的原理,做出聲波定位模型進(jìn)行聲音定位導(dǎo)航的模擬實(shí)驗(yàn)。該模型中,接收器A 和接收器B 模擬人的雙耳,實(shí)現(xiàn)聲音的收集,S 是一個(gè)可移動(dòng)的發(fā)聲器。根據(jù)接收器A 和接收器B 接收到的由發(fā)聲源S 發(fā)出聲音的時(shí)間差準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)聲源S 的方位。2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)聲波定位、導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)功能可以劃分為兩個(gè)部分:聲音接收處理系統(tǒng)(以下稱為“主機(jī)”和可移動(dòng)聲源系統(tǒng)(以下稱為“從機(jī)”。從機(jī)發(fā)聲并等待主機(jī)的指令來決定運(yùn)動(dòng)狀態(tài),主機(jī)接收到聲音信號(hào)以后,對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分析處理,且利用無線傳輸模塊發(fā)出指示,控制從機(jī)運(yùn)動(dòng)到規(guī)定的位置。聲波接收和處理功能的實(shí)現(xiàn)采用獨(dú)立模塊,將

4、處理的結(jié)果送回主機(jī)控制器進(jìn)行分析,再由主機(jī)控制器通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊把指令傳遞給從機(jī),控制移動(dòng)聲源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這樣對(duì)主機(jī)控制器的要求就大大降低,可以采用51系列單片機(jī)。從機(jī)則依然由控制模塊、聲波發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和聲光報(bào)警模塊等部分組成。本方案使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的51系列單片機(jī),大幅度降低了設(shè)計(jì)成本。3聲波定位系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1聲波發(fā)生器電路聲音作為系統(tǒng)定位的捕捉因素,在聲波發(fā)生器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)聲音發(fā)生器采用蜂鳴器電路。蜂鳴器電路包括一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管、一個(gè)開關(guān)三極管、一個(gè)濾波電容和兩個(gè)限流電阻。3.2聲音采集處理電路如何準(zhǔn)確穩(wěn)定地接收來自移

5、動(dòng)聲源所發(fā)出的導(dǎo)航語音,并經(jīng)過檢測(cè)處理確定該語音信號(hào)直接關(guān)系到整個(gè)定位導(dǎo)航系統(tǒng)能否成功運(yùn)行。主要包括麥克采集電路、信號(hào)放大電路以及選頻輸出電路等三部分。3.3基于L298N 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路專用驅(qū)動(dòng)芯片L298是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片,利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組PWM 波用來控制一個(gè)電機(jī)的速度,而另外兩個(gè)I/O 口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),控制比較簡(jiǎn)單,電路也很簡(jiǎn)單,一個(gè)芯片內(nèi)包含有8個(gè)功率管,這樣簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂,協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊正常工作。主機(jī)系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)聲音信號(hào)并對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理,最后以無線

6、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问较驈臋C(jī)發(fā)出控制指令。從機(jī)系統(tǒng)軟件的主要功能是接收來自主機(jī)的發(fā)聲控制信號(hào)并發(fā)聲、控制移動(dòng)聲源(小車按照主機(jī)的指令運(yùn)動(dòng),以及實(shí)時(shí)顯示其運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)信息。主機(jī)從開始工作就緩慢前進(jìn),同時(shí)以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问较驈臋C(jī)發(fā)出指令,控制移動(dòng)聲源發(fā)出第一串聲波信號(hào)。然后,從機(jī)則一直處于等待接收主機(jī)關(guān)于自己位置信息的反饋信號(hào)(至于該信號(hào)是不是從機(jī)發(fā)出的則由硬件電路解決,此處不予考慮的狀態(tài)。當(dāng)移動(dòng)聲源發(fā)出聲波信號(hào)時(shí),兩個(gè)聲波接收器A 和B 接收到聲音信號(hào)的時(shí)間肯定有一個(gè)差值,且B 接收器一定最先檢測(cè)到聲波信號(hào)。若該差值大于零,則說明移動(dòng)聲源不在OX 軸上,同時(shí)以無線形式向從機(jī)發(fā)送該差值信號(hào),以便從機(jī)控制小

7、車?yán)^續(xù)前進(jìn);若該差值為零,說明小車已經(jīng)到達(dá)OX 軸,同時(shí)以無線形式向從機(jī)發(fā)送該信號(hào),以便從機(jī)控制小車停車;若該差值小于零,則說明移動(dòng)聲源已超過OX 軸上,同時(shí)以無線形式向從機(jī)發(fā)送該差值信號(hào),以便從機(jī)控制小車向后倒退。至此,小車的第一階段運(yùn)動(dòng)結(jié)束。進(jìn)入第二階段后,主機(jī)依然時(shí)等待接收聲音信號(hào)。這時(shí),改用聲波接收器A 和C 以與第一階段相同的方式控制小車運(yùn)動(dòng)到場(chǎng)地中心W 點(diǎn)停車。即當(dāng)移動(dòng)聲源再次發(fā)出聲音時(shí),兩個(gè)聲波接收器A 和C 接收到聲音信號(hào)的時(shí)間也會(huì)有一個(gè)差值t 1。假設(shè)聲波信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌鰽 需要t 1時(shí)間,傳輸?shù)浇邮掌鰾 需要t 2時(shí)間,且t 1=t 1-t 2。同樣以無線形式將該差值信號(hào)傳遞給從機(jī)CPU ,若t 1>0,從機(jī)控制小車向左轉(zhuǎn)90°若t 1=0,說明正好是場(chǎng)地幾何中心W 點(diǎn),小車停車并聲光報(bào)警即可;若t 1<0,從機(jī)控制小車向右轉(zhuǎn)90°。確定方向后,重復(fù)上述過程向上或者向下運(yùn)動(dòng)至場(chǎng)地中心W 點(diǎn)停車報(bào)警,以示整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程完成。5結(jié)論本系統(tǒng)選用聲音信號(hào)作為小車的定位、導(dǎo)航因子,選用了它常用的控制因素頻率進(jìn)行針對(duì)性