基于聲波的智能小車定位導航系統(tǒng)的設計-

1、TECHNOLOGY WIND摘要本文提出一種聲波定位、語音導航系統(tǒng)。系統(tǒng)分為聲波監(jiān)測系統(tǒng)和移動聲源系統(tǒng)兩個子系統(tǒng),注重對聲波采集和聲波發(fā)生進行了研究。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)聲波定位導航智能小車達到了比較理想的效果。關鍵詞超聲波測距;控制;單片機基于聲波的智能小車定位導航系統(tǒng)的設計王澤元(吉林工程技術師范學院電氣工程學院,吉林長春13005221世紀以來隨著電子技術和計算機技術的進一步飛速發(fā)展,自動控制技術在現(xiàn)代化工業(yè)的控制領域起著越來越重要的作用。工業(yè)生產(chǎn)、生活的自動化都離不開智能化的機器。譬如:人們對太空的探索,在危險環(huán)境中的操作等等都需要智能化行走、運動機構(gòu)。智能小車作為物美價廉的行走運動

2、機構(gòu)被人們廣泛應用。同時,這些智能化的設備和裝置欲按人的意愿實現(xiàn)自動運行,就必須受可控制的、有規(guī)律的內(nèi)外因子的引導和控制。聲音是自然界最普遍最易辨別的交際信號,并且其頻率、響度都是很容易控制的物理量。于是,聲音作為引導和控制智能化機器的因子之一廣受青睞。本文注重對以單片機為控制核心,基于聲波的智能小車定位導航系統(tǒng)研究。1聲波定位導航原理日常生活中充滿了各種各樣的聲音,為什么人類能夠準確分辨聲音的空間方位呢?人類的耳朵,生長在頭部兩側(cè),雙耳接收到同一聲源發(fā)射的聲波信息具有細小差別。大腦對左右耳接收到的聲音信號進行分析、分辨和識別,最終確定聲源的方位。人類判斷方位主要依靠的兩個重要指標:ILD 耳

3、間強度差和ITD 耳間時間差。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行聲音定位導航的模擬實驗。該模型中,接收器A 和接收器B 模擬人的雙耳,實現(xiàn)聲音的收集,S 是一個可移動的發(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)出聲音的時間差準確鎖定目標聲源S 的方位。2系統(tǒng)整體設計聲波定位、導航系統(tǒng)根據(jù)功能可以劃分為兩個部分:聲音接收處理系統(tǒng)(以下稱為“主機”和可移動聲源系統(tǒng)(以下稱為“從機”。從機發(fā)聲并等待主機的指令來決定運動狀態(tài),主機接收到聲音信號以后,對聲音信號進行分析處理,且利用無線傳輸模塊發(fā)出指示,控制從機運動到規(guī)定的位置。聲波接收和處理功能的實現(xiàn)采用獨立模塊,將

4、處理的結(jié)果送回主機控制器進行分析,再由主機控制器通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊把指令傳遞給從機,控制移動聲源的運動狀態(tài)。這樣對主機控制器的要求就大大降低,可以采用51系列單片機。從機則依然由控制模塊、聲波發(fā)生器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電機驅(qū)動模塊和聲光報警模塊等部分組成。本方案使用結(jié)構(gòu)簡單的51系列單片機,大幅度降低了設計成本。3聲波定位系統(tǒng)硬件電路設計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)設計中具有至關重要的作用。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蜂鳴器、一個續(xù)流二極管、一個開關三極管、一個濾波電容和兩個限流電阻。3.2聲音采集處理電路如何準確穩(wěn)定地接收來自移

5、動聲源所發(fā)出的導航語音,并經(jīng)過檢測處理確定該語音信號直接關系到整個定位導航系統(tǒng)能否成功運行。主要包括麥克采集電路、信號放大電路以及選頻輸出電路等三部分。3.3基于L298N 的直流電機驅(qū)動電路專用驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進電機的專用芯片,利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機,這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM 波用來控制一個電機的速度,而另外兩個I/O 口可以控制電機的正反轉(zhuǎn),控制比較簡單,電路也很簡單,一個芯片內(nèi)包含有8個功率管,這樣簡化了電路的復雜性。4系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的靈魂,協(xié)調(diào)各個功能模塊正常工作。主機系統(tǒng)軟件主要負責監(jiān)測聲音信號并對聲音信號進行處理,最后以無線

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

7、車繼續(xù)前進;若該差值為零,說明小車已經(jīng)到達OX 軸,同時以無線形式向從機發(fā)送該信號,以便從機控制小車停車;若該差值小于零,則說明移動聲源已超過OX 軸上,同時以無線形式向從機發(fā)送該差值信號,以便從機控制小車向后倒退。至此,小車的第一階段運動結(jié)束。進入第二階段后,主機依然時等待接收聲音信號。這時,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動到場地中心W 點停車。即當移動聲源再次發(fā)出聲音時,兩個聲波接收器A 和C 接收到聲音信號的時間也會有一個差值t 1。假設聲波信號傳輸?shù)浇邮掌鰽 需要t 1時間,傳輸?shù)浇邮掌鰾 需要t 2時間,且t 1=t 1-t 2。同樣以無線形式將該差值信號傳遞給從機CPU ,若t 1>0,從機控制小車向左轉(zhuǎn)90°若t 1=0,說明正好是場地幾何中心W 點,小車停車并聲光報警即可;若t 1<0,從機控制小車向右轉(zhuǎn)90°。確定方向后,重復上述過程向上或者向下運動至場地中心W 點停車報警,以示整個運動過程完成。5結(jié)論本系統(tǒng)選用聲音信號作為小車的定位、導航因子,選用了它常用的控制因素頻率進行針對性