基于声波的智能小车定位导航系统的设计-

1、TECHNOLOGY WIND摘要本文提出一种声波定位、语音导航系统。系统分为声波监测系统和移动声源系统两个子系统,注重对声波采集和声波发生进行了研究。实验结果表明,该系统声波定位导航智能小车达到了比较理想的效果。关键词超声波测距;控制;单片机基于声波的智能小车定位导航系统的设计王泽元(吉林工程技术师范学院电气工程学院,吉林长春13005221世纪以来随着电子技术和计算机技术的进一步飞速发展,自动控制技术在现代化工业的控制领域起着越来越重要的作用。工业生产、生活的自动化都离不开智能化的机器。譬如:人们对太空的探索,在危险环境中的操作等等都需要智能化行走、运动机构。智能小车作为物美价廉的行走运动

2、机构被人们广泛应用。同时,这些智能化的设备和装置欲按人的意愿实现自动运行,就必须受可控制的、有规律的内外因子的引导和控制。声音是自然界最普遍最易辨别的交际信号,并且其频率、响度都是很容易控制的物理量。于是,声音作为引导和控制智能化机器的因子之一广受青睐。本文注重对以单片机为控制核心,基于声波的智能小车定位导航系统研究。1声波定位导航原理日常生活中充满了各种各样的声音,为什么人类能够准确分辨声音的空间方位呢?人类的耳朵,生长在头部两侧,双耳接收到同一声源发射的声波信息具有细小差别。大脑对左右耳接收到的声音信号进行分析、分辨和识别,最终确定声源的方位。人类判断方位主要依靠的两个重要指标:ILD 耳

3、间强度差和ITD 耳间时间差。本文正是基于以上人耳辨别声音的原理,做出声波定位模型进行声音定位导航的模拟实验。该模型中,接收器A 和接收器B 模拟人的双耳,实现声音的收集,S 是一个可移动的发声器。根据接收器A 和接收器B 接收到的由发声源S 发出声音的时间差准确锁定目标声源S 的方位。2系统整体设计声波定位、导航系统根据功能可以划分为两个部分:声音接收处理系统(以下称为“主机”和可移动声源系统(以下称为“从机”。从机发声并等待主机的指令来决定运动状态,主机接收到声音信号以后,对声音信号进行分析处理,且利用无线传输模块发出指示,控制从机运动到规定的位置。声波接收和处理功能的实现采用独立模块,将

4、处理的结果送回主机控制器进行分析,再由主机控制器通过无线数据收发模块把指令传递给从机,控制移动声源的运动状态。这样对主机控制器的要求就大大降低,可以采用51系列单片机。从机则依然由控制模块、声波发生器、无线数据收发模块、电机驱动模块和声光报警模块等部分组成。本方案使用结构简单的51系列单片机,大幅度降低了设计成本。3声波定位系统硬件电路设计3.1声波发生器电路声音作为系统定位的捕捉因素,在声波发生器电路系统设计中具有至关重要的作用。本系统声音发生器采用蜂鸣器电路。蜂鸣器电路包括一个蜂鸣器、一个续流二极管、一个开关三极管、一个滤波电容和两个限流电阻。3.2声音采集处理电路如何准确稳定地接收来自移

5、动声源所发出的导航语音,并经过检测处理确定该语音信号直接关系到整个定位导航系统能否成功运行。主要包括麦克采集电路、信号放大电路以及选频输出电路等三部分。3.3基于L298N 的直流电机驱动电路专用驱动芯片L298是驱动二相和四相步进电机的专用芯片,利用它内部的桥式电路来驱动直流电机,这种方法有一系列的优点。每一组PWM 波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O 口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性。4系统软件设计系统软件是整个系统的灵魂,协调各个功能模块正常工作。主机系统软件主要负责监测声音信号并对声音信号进行处理,最后以无线

6、数据传输的形式向从机发出控制指令。从机系统软件的主要功能是接收来自主机的发声控制信号并发声、控制移动声源(小车按照主机的指令运动,以及实时显示其运动的状态信息。主机从开始工作就缓慢前进,同时以无线数据传输的形式向从机发出指令,控制移动声源发出第一串声波信号。然后,从机则一直处于等待接收主机关于自己位置信息的反馈信号(至于该信号是不是从机发出的则由硬件电路解决,此处不予考虑的状态。当移动声源发出声波信号时,两个声波接收器A 和B 接收到声音信号的时间肯定有一个差值,且B 接收器一定最先检测到声波信号。若该差值大于零,则说明移动声源不在OX 轴上,同时以无线形式向从机发送该差值信号,以便从机控制小

7、车继续前进;若该差值为零,说明小车已经到达OX 轴,同时以无线形式向从机发送该信号,以便从机控制小车停车;若该差值小于零,则说明移动声源已超过OX 轴上,同时以无线形式向从机发送该差值信号,以便从机控制小车向后倒退。至此,小车的第一阶段运动结束。进入第二阶段后,主机依然时等待接收声音信号。这时,改用声波接收器A 和C 以与第一阶段相同的方式控制小车运动到场地中心W 点停车。即当移动声源再次发出声音时,两个声波接收器A 和C 接收到声音信号的时间也会有一个差值t 1。假设声波信号传输到接收器A 需要t 1时间,传输到接收器B 需要t 2时间,且t 1=t 1-t 2。同样以无线形式将该差值信号传递给从机CPU ,若t 1>0,从机控制小车向左转90°若t 1=0,说明正好是场地几何中心W 点,小车停车并声光报警即可;若t 1<0,从机控制小车向右转90°。确定方向后,重复上述过程向上或者向下运动至场地中心W 点停车报警,以示整个运动过程完成。5结论本系统选用声音信号作为小车的定位、导航因子,选用了它常用的控制因素频率进行针对性