声音导引系统的设计.docx

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声音导引系统的设计

摘要

声音引导系统，是基于无线通信技术的新型导引系统，可以应用在新型智能机器人控制系统，这种声音控制机器人的运动方式将有着广阔的应用前景。

声音引导（声音定位），在现实生活中有着重要意义。

例如，在救援抢险中，可以利用声音传感器接受某一特定幅度或者频率的声音，通过对声音源的分析处理来获知其地理位置，配合GPS卫星定位技术来搜救目标源。

本设计的声音引导系统可实现对一定范围内的可移动声源进行定位和引导其移向预定区域。

本设计采用两片STC89C52单片机，一片作为可移动声源的检测和控制核心，实现可移动声源在地面上运动，接收发光信号和声波信号，到达目的地停止等功能；另一STC89C52单片机作为接收器的检测可控制核心，实现音频脉冲信号的接受，无线电信号的发送以及坐标定位等功能。

小车与接收器通过无线通信模块相联系，接收器通过计算时间对小车进行定位，计算出小车到预定轨道的距离，对小车打出引导控制，小车收到控制信息经过一定的运动，到达预定位置后停止。

声音接收单元与可移动声源之间通过无线传输方式实现数据的传输，来实现可移动声源运动状态的控制。

该系统电路简单、功能完善、功耗低、性价比高。

关键词单片机；声音定位；无线传输

Abstract

Voiceguidancesystem,isbasedonanewwirelesscommunicationtechnologyguidancesystemcanbeappliedinthenewintelligentrobotcontrolsystem,thesoundwaytocontroltherobot'smovementhasbroadapplicationprospects.Soundguidance（soundlocalization）,inreallifeisofgreatsignificance.Forexample,inreliefandrescue,youcanusethesoundsensortoacceptaparticularamplitudeorfrequencysound,throughtheanalysisandprocessingofsoundsourcetobeinformedoftheirlocation,withGPSsatellitepositioningtechnologytosearchforthetargetsource.

Thevoiceguidancesystemcanbedesignedtoachievearangeofmobilesoundsourcetolocateandguidetheirmoveintendedarea.ThisdesignusestwoAT89S52microcontroller,amobilesoundsourceasthedetectionandcontrolofthecore,toachievemobilesourcemovementontheground,receivinglightsignalsandsoundsignalsreachtheirdestinationstopandotherfunctions;theotherasareceivermicrocontrollerSTC89C52Detectionofthecoredevicecanbecontrolledtoachievetheacceptanceoftheaudiopulsesignal,theradiosignaltransmissionandthecoordinatepositionandotherfunctions.Carandthereceiverislinkedthroughthewirelesscommunicationmodule,thereceiverbycalculatingthetimetolocatethecartocalculatethedistancefromthecartoapredeterminedtrack,playedonthecarbootcontrol,carcontrolinformationreceivedafteracertainmovement,reachtheintendedlocationreceptionunitandaremovablesoundsourcethroughthewirelesstransmissionbetweenthetransmissionofdatatoachievearemovablesoundsourcemotionstatecontrol.Thesystemissimplecircuit,functional,lowpowerconsumption,cost-effective.

KeywordsMCU;soundlocalization;wirelesstransmission

第1章绪论

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要认为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。

智能电动车就是其中一个体现。

运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。

运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬到另一点，如使用悬挂控制系统更方便、安全。

在此基础上还可设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置，所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上。

其长度由电机驱动的三个绕线轮分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间总的位置。

其中原理和悬挂轨迹控制系统一样的。

本文介绍的就是智能车中的一种——声音引导小车。

该声音引导系统有一个可以定声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。

声音接收器能利用移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离OX线（或OY线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源引导其运动。

“听声辨位”，人的双耳就是一个很好的例子。

由于耳朵具有特殊的生理结构，能够捕获声源到达双耳的相位差和声压差信息，通过复杂的信息处理，使得我们能够准确地进行辩位，并估计生源的距离。

而在真实的声场中，声音除了通过空气媒介直接到达接收器以外，还通过各种障碍物（如墙壁、天花板、室内物品）反射到达，这样接收器接收到的原始直达声和经过延迟的衰减的声音的混合信号。

这种导致信号变差的现场叫做多径效应。

多径效应将使接收器获取的信号质量下降、声源定位的精确度降低。

另外环境存在的其他噪声对定位精确度也有很大的影响。

所以本设计的重点是得到稳定的抗干扰能力强的误差信号，难点是准确判断可移动声源的位置和控制可移动声源的运动。

研究背景及意义

在市场竞争日趋激烈的今天，如何提高生产自动化水平，实现更高的生产效率是困惑众多企业的难题，尤其在我国现阶段不断进行经济结构调整，提升经济竞争力的背景下，问题显得尤其突出。

在中国这个公认的“世界制造基地”，任何企业都离不开自动化。

可以说：

自动化水平对于具有一定规模的制造业企业是生死攸关的。

声音导引属于自动导引的一个重要的组成部分，因此了解自动导引小车的发展是必要的。

自动导引小车的研究背景

自动导引小车（AVG，automatedguidedvehicle）。

是一种以电池为动力，装有非接触式导向装置的无人自动化搬运车辆。

它的主要特征表现为具有小车编程及系统控制管理功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶。

自动沿着规定的路径行驶，到达指定的地点，并完成一系列作业任务。

自动导引小车的应用可以极大地提高企业生产自动化程度和生产效率。

它最早是在北欧发展起来的，在国外的发展应用已经有几十年的历史了，由于它具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等有点，因此，除了在柔性制造系统（FMS）和自动化工厂中迎来组成高效、快捷的物流系统外，自动导引小车还广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业，尤其适用于人员不宜进入的工作场所。

其运动速度可以达到百米/分钟，运输能力可以从几千克到几十吨，是一中非常有发展前途的物流运输设备，尤其在柔性制造系统中背认为是最有效的物料运输设备。

自动导引小车是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动化仓库而产生并发展起来的，日本人认为1981年是柔性加工系统元年，这样计算自动导引小车大规模应用的历史也就20多年。

但是，其发展的速度是非常快的，例如：

美国通用公司1981年开始使用自动导引小车，1985年自动导引小车保有量500台，1987年自动导引小车保有量达到了3000台。

资料表明【2】欧洲40%的自动导引小车在其他行业也有广泛的应用。

目前国内总体上看自动导引小车的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。

但从应用的行业分析，分布非常广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等，这说明自动导引小车有一个潜在的广阔市场。

从目前分析的美国自动导引小车保有量的增长速度看，中国的自动导引小车市场很快会有一个大的变化。

目前在工业应用的90%以上的自动化导引小车，都不能称为具有智能。

随着工业数量的快速增长和工业生产的发展，对自动导引小车的工作能力也提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度的智能的自动导引小车。

这些自动导引小车可以在凹凸不平的地面上移动；具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；自动导引小车可以集成如视觉和触觉技术、自主控制和决策技术、临场感技术、多功能体技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成技术和融合技术等许多最

新的智能技术，可以完成很多高智能工作，适用范围广。

我国已将自动导引小车列入国家高新技术计划，足以证明政府有关部门对发展自动化导引小车的高度重视。

随着计算机、通信、控制以及人工智能技术的发展、智能化及其已经开始逐渐步入工业生产领域和人民日常生活中，其中智能小车作为最常用的运输载体得到了迅速的发展，二对其进行人工智能化的研究成为了当今的热点。

本文一声源导航的智能小车为例，给出了其控制系统的设计思想及软硬件实现方法。

确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。

声源定位是通过测量物体发出声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位发放不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。

根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法和定位精确度较低。

因此有待进一步的研究。

自动导引小车的研究意义

与一般连续运输设备相比，生产线连续运输设备对噪音、人身安全保护、人机学以及可靠性要求更高。

因为一个连续生产线一旦因技术故障停止生产，其经济损失是十分巨大的。

要想在生产过程中保持稳定的高质量水平，没有自动化是很难办到的。

作为一种高效物流运输设备和工厂自动化的理想手段，自动导引小车今后必将得到迅速发展和普及应用。

这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是自动导引小车本身所独具的优越性所决定的。

资料显示【3】：

在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余95%都用于存储、装卸、等待加工和输送；在美国，直接劳动成本所占的比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而存储、运输所占的费用却占生产成本的40%。

因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构。

降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代化生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。

自动化导引小车适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。

当自动导引小车运行时，由于一些系统固有的误差，如两驱动电机同步性不好。

两驱动直径差异、减速器传动效果的差异及一些费系统性的误差，如车轮在地面发生的滑动、装卸货物重心偏移产生的惯性负载等情况的存在，即使小车的最初运行没有便宜，这些误差也会随着运行时间的增加而积累，导致小车发生偏移。

自动导引小车运动控制系统对导引路径跟踪的准确性、平稳性和对偏差纠正的快速性是体现它的性能的重要指标。

ＡＶＧ导引控制器的设计水平是保证这一指标的关键。

实践证明，采用单一控制器对车辆进行控制往往在某种条件下、某种情况下特别有效、而无法保证在各种情况下都实现对车辆的良好控制。

其核心问题是任何一种单一的控制器都难以解决大偏差状态下提高系统的反应快速性与小偏差状态下减少系统超调量之间的矛盾。

解决方法之一是寻求一种方法能将多种控制器复合起来对AVG进行控制，发挥各种控制器的优点，解决单一控制器控制存在的不足。

国内外自动导引小车发展的历史与现状

国外自动导引小车发展的历史与现状

世界第一台自动导引小车是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。

小车跟随一条钢丝锁导引的路径行驶，并具有一个以真空管为基础的控制器。

到了60年代和70年代初，出来Baerrett公司以外，Wsbb和Clark公司在自动导引小车市场也占有相当的份额。

在这个世纪，欧洲的自动导引小车技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，同一尺寸的托盘搬运促进了自动导引小车的发展。

70年代中期，欧洲装备了520个自动导引小车系统，共有4800台小车，到1985年发展到一万台左右。

为美、欧、日为首。

其应用领域分布主要是汽车工业（57%），柔性制造系统MFs（8%）和柔性装配系统FAs（35%）。

欧洲的自动导引小车技术于80年代初通过在美国的欧洲公司引进直接由计算机控制的自动导引小车系统（AGVS），198年john公司将自动导引小车连接到AS/RS以提供在制造过程中无聊自动运送的跟踪。

1984年，通用汽车公司便成为自动导引小车的最大用户，1986年已达1407台（包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车），1987年又增加了1662台。

美国各公司在欧洲技术的基础上将自动导引小车发展到更为先进的水平。

他们采用更先进的计算机控制系统（可联网FMS或CIMS），运输量更大，运载时间更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高。

此时美国的自动导引小车生产商从1983年的23家骤增至1985年的74家，1964年日本人开始引进自动导引小车，当时自动导引小车是如同牵引车那样的机车，在机车的前方，作业人员就像牛那样，牵引这自动导引小车向前走。

时至今日，自动导引小车技术日趋成熟，生产自动导引小车的公司也越来越多，其应用也越来越普及。

目前，由于传统的自动导引小车技术在日、美、德等国家已经比较成熟。

所以。

目前国外对自动导引小车技术的研究主要集中在以下方面

（1）自主导向车（Free-rangingrautonomousvehieles）

这种车不需要预定义线路，而是采用特殊的导向技术，使小车能够根据实际环境信息自主移动。

（2）移动机器人（Mobllrobot）

把自动导引小车便于自由移动的机器人能够进行灵活的操作的优点结合起来，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用，美国研制的“火星探路着”（Marsrover）即是典型的代表。

（3）AGV/AGVS模块化设计研究

由于不同的AGV/AGVS指尖有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好采用模块化设计方法，将自动导引小车的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。

（4）AGVS调度研究

在FMS中应用自动导引小车系统（AGVS）具有提高系统的柔性、设备的利用率与产品的质量等优点。

但是这些优势的发挥，很大程度上取决自动导引小车系统调度系统的优劣。

所以，目前对此方面的研究工作如面向对象技术建立调度模型、启发式调度、遗传算法以及地理信息系统的研究十分瞩目。

国内自动导引小车发展的历史与现状

我国自动导引小车发展历史较短。

北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和南京理工学院都在进行不同类型的自动导引小车的研制并小批量投入生产。

1975年北京起重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的自动导引小车。

1989年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线通信的自动导引小车，该院已能进行自动导引小车的批量生产，截止1996年已生产和正在制造的自动导引小车达23台。

沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6台自动自动导引小车，用于装配线上，可以说是汽车工业中用得较成功的自动导引小车，成都卷烟厂采取的自动导引小车用于仓库运输，沈阳新松公司研制的自动导引小车已通过ISO9001国际质量认证，安徽合力股份有限公司制造的自动导引小车在市场上占有很大份额。

以上的自动导引小车均为固定路径导引方式。

清华大学独立研究的“自由路径自动导向自动导引小车”属于无固定路径导引的类型，在路径的跟踪研究方向具有较高的水平、我国越来越多的工厂、科研机构采用自动导引小车为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。

如上海金山化工厂、华宝空调厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的自动导引小车国外引进和国产的均有“863”计划智能机器人主题在“九五”计划中把自动导引小车系列产品开发列为重大项目，相继完成了一汽、柳州微型汽车厂、上海卷烟厂等单位的自动化导引小车的引用工

程。

九十年代以后，随着国内的工厂的自动化程度的提高和科研单位技术力量的提高，自动导引小车的技术水平不断提高，并逐步走向商品化、系列化、模块化。

随着经济的发展，自动导引小车在我国的应用领域必将越来越大。

本文主要研究的主要内容

设计并制作一声音导引系统，示意图如图1-1所示。

图中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，O'y是AC的中垂线，W是Ox和O'y的交点。

声音导引系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。

声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离Ox线（或O'y线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。

可移动声源运动的起始点必须在Ox线右侧，位置可以任意指定。

（1）制作可移动的声源。

可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号，如图1-1所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。

图1-1系统示意图

图中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，O'y是AC的中垂线，W是Ox和O'y的交点。

图1-2信号波形示意图

（2）可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线并停止，这段运动时间为响应时间，测量响应时间，用下列公式计算出响应的平均速度，要求平均速度大于5cm/s。

（3）可移动声源停止后的位置与Ox线之间的距离为定位误差，定位误差小于3cm。

（4）可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧的距离小于5cm。

（5）可移动声源到达Ox线后，必须有明显的光和声指示。

（6）功耗低，性价比高。

本章小结

查阅了大量资料，了解了声音引导系统的应用及其在国内和国外发展现状，声音引导系统可以应用在新型智能机器人控制系统，在视频会议、语音识别和说话人识别、目标定位和助听装置等领域也有重要的应用。

第2章方案的设计与论证

系统方案设计

分析题目要求，关键是要是要实现声源定位。

系统设计是基于一组已知几何位置的接收器，并利用接收器接收信号的相关性来确定声源位置以及运动状态。

我们选择基于到达时间差的声源定位算法，并采用给定已知位置的接收器阵列，根据声源在传播速度恒定的空气介质中到达各个接收器的时间差，以估计出声源的位置。

经分析，系统方案中主要包括有几个关键功能模块，即：

主控模块、接收模块、无线电收发模块、动力源及驱动等。

系统的方框图如图2-1所示。

图2-1系统的方框图

方案论证

方案一：

根据声强检测来对小车定位，不同距离的声源传到声音接收器的信号强度不同，根据对信号强度进行AD采样，可以判断出声源距离。

方案二：

启用单片机定时器，根据接收器A、B和C接收到声音的时间差来判断声源的位置，进而调节电机运行的速度，直到声源到达目的地。

鉴于方案一中声音的强弱受外界干扰太大，检测到的声音信号不定，而测量时间差则相对精确，所以本系统采用方案二。

我们利用单片机中断处理功能实现信号的采集和处理，当任何一个接收器接受到信号就启动定时器定时，并进入中断处理，通过比较各接收器接收到信号时定时器的数值，判断声源的具体位置。

主控系统选择

方案一：

采用高性能嵌入式系统，比如ARM。

如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但是ARM价格昂贵且本科阶段很少接触，在短时间内完成困难比较大。

方案二：

采用大规模可编程逻辑器件，如FPGA，CPLD但本题属于控制类，FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

不适合采用此方案。

方案三：

采用2片高性能单片机来实现，一片用来处理音频信号接收，同时控制车载单片机。

另一块用来控制小车运动。

方案三中的单片机运算能力强，软件编程灵活，配合单片机C语言，可以实现各种灵活的运动控制。

结合本次设计的任务要求，以及上诉两种方案的参照对比，决定采用方案三。

电机控制系统的选择

（1）电机类型选择

本题是控制类题目，所以电机的选择尤为重要。

方案一：

选择普通直流电机，通过减速齿轮增大扭力，提高带负载能力。

直流电机的优点是价格便宜，控制容易，但难以精确控制是其一大弱点。

方案二：

选择步进电机。

步进电机的特点是可以精确控制电机选择步数和角度，缺点就是力矩比较小，容易失步，而且价格比较昂贵。

考虑到题目要求性价比高，所以我们选择普通直流电机，通过优良的控制算法，达到高精度定位。

（2）电机控制系统选择

方案一：

通过晶体三极管等分立元件搭H桥。

优点是价格便宜，结构简单，控制简单。

但由于晶体三极管的承载电流比较小，驱动能力受到限制，因为是分立元件，稳定性不敢保证，且体积比较大。

方案二：

采用集成芯片，如L293,L298等。

其优点是集成度高，电路简单，

控制方便可靠，体积小，效率高。

考虑到小车比较小，要安装的电子装置比较多，控制精度比较高，所以选用低电压驱动高效率的L298驱动芯片。

无线数据通信选择

方案一：

红外通信，红外通信器件易得，价格低廉，但必须直线收发是其致命弱点。

方案二：

采用PT2262/PT2272无线收发模块，采用四位传送