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双轮小车轨迹跟随控制系统中的声音定位系统设计09双控 李崇一 系统设计目标在双轮小车轨迹跟随系统中，声音定位系统为唯一的检测手段。为了保证小车的运动稳定和控制精度，需要十分精确的声音定位系统和定位算法。设计目标为：通过小车自带的声源，以及坐标轴上三个固定点的声音检测器，实现对小车的高精度定位。二 原理分析及算法根据任务目的，如图1场地示意图所示：小车所在位置(x,y)S3点(a,0)S2点(0,0)S1点(0,a)图1 场地示意图其中s1、s2、s3均为声音检测装置，坐标点分别为(0,a)、(0,0)、(a,0)，小车所在位置为(x,y)。设声速为v，声音到达三点的所需时间为t1，t2，t3，则可由下列方程：由于无法得到绝对时间，所以得到两组时间差如下式所示：两组时间差均可由仪器测量所得，则求出x，y的解为：其中三 硬件结构图硬件分为位于场地上的声音检测装置和小车上的发声装置。声音检测装置主要由ARM处理器、声音传感器、调理电路组成，如图2 检测系统框图所示。ARM处理器的内部程序需要虚拟一个时钟，并开启三个外部中断。系统通过三个声音传感器检测到声信号，并通过调理电路产生脉冲，触发外部中断。在每个中断服务函数中记录下当前的相对时间值，在三个时间都记录下后，将其传递到定位算法子程序中以换算出小车现在的坐标。声音传感器3EXT1EXT2EXT3声源ARM处理器声音传感器2声音传感器1调理电路调理电路调理电路图2 检测系统框图小车上的声源发声装置外部结构相对比较简单，由ARM处理器的AD单元连接调理电路、然后连接到扬声器，如图3 发声装置示意图所示。其中发声的程序需要定时器配合。所设定的发生的声波频率为10kHz，这是因为低频声波脉宽较大，会造成扬声器的惯性震荡，而廉价的扬声器高频性能较差，故折中选择10K Hz的声波。AD0ARM处理器调理电路扬声器图3 发声装置示意图四 性能指标分析在设定的性能指标中，要求控制精度达到2mm，而小车的最大速度为20cm/s，所以主程序的周期应小于 2mm/(20cm/
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