摘要 采用特定頻率的聲音信號作為聲源對小車進(jìn)行導(dǎo)航，使小車能夠通過接收和處理聲信號以確定聲源方向和位置，并行進(jìn)至聲源處的功能。其中，用硬件濾波電路對聲信號進(jìn)行濾波處理，由FPGA計算聲信號到達(dá)的時間差，單片機(jī)計算出聲源偏離小車的角度和距離并產(chǎn)生PWM波驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在行進(jìn)過程中，小車可以自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。準(zhǔn)確到達(dá)聲源處是聲導(dǎo)航自行小車的重點和難點。
關(guān)鍵詞 麥克風(fēng)陣列；FPGA計時；聲源定位；單片機(jī)控制電機(jī)

    導(dǎo)航是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個人安全、準(zhǔn)確地沿選定路線，準(zhǔn)時到達(dá)目的地的一種手段。聲定位技術(shù)是通過聲傳感裝置接收聲波，用電子裝置將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，再利用計算機(jī)系統(tǒng)對電信號進(jìn)行分析處理，以實現(xiàn)對聲源識別、探測，并對聲目標(biāo)進(jìn)行定位及跟蹤的一門技術(shù)。聲定位技術(shù)以其隱蔽性強(qiáng)、適用性高、成本低等優(yōu)點而備受重視，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和重要意義。因此聲定位技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合形成有特色的聲導(dǎo)航自行小車。
    目前的聲控移動裝置多見于采用超聲波技術(shù)躲避障礙物或通過某些語音語句控制裝置的行進(jìn)路線。聲導(dǎo)航主要應(yīng)用于聲吶、潛水器、UUV(無人水下航行器)等水下裝置，而在空氣中采用聲學(xué)方式進(jìn)行導(dǎo)航的移動裝置還不多見。項目所研究聲導(dǎo)航自動小車，可以通過接收信號，判定聲源位置，確定前進(jìn)方向，并通過自主追蹤移動聲源，修正移動路徑。

1 硬件設(shè)計
1．1 硬件總體概況
    系統(tǒng)包括聲發(fā)射模塊、聲接收模塊、硬件濾波模塊、計時模塊、運(yùn)算控制模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可以分為聲源定位和車體移動兩大部分。系統(tǒng)各模塊工作是由單片機(jī)MC9S12XS128控制協(xié)調(diào)的，它是整個系統(tǒng)的核心。單片機(jī)MC9S12XS128擁有128 kB的Flash程序空間，8通道24位中斷定時器，8通道16位定時器，8通道PWM波輸出和8通道12位精度的A／D轉(zhuǎn)換器；同時集成CAN，SPI，SCI和UART等通信接口；使用16 MHz外部晶振，通過鎖相環(huán)最高可倍頻至96 MHz；最小系統(tǒng)包括外部晶振、復(fù)位電路及BDM調(diào)試接口電路等，且該單片機(jī)性價比較高。該芯片通過FPGA計算出的時間差計算出小車與聲源的相對r和α，其中r是小車與聲源間的距離，α是聲源相對于小車的方位角，并產(chǎn)生合適的PWM，是小車到達(dá)聲源處。

1．2 單元模塊設(shè)計
1．2．1 聲發(fā)射模塊
    模塊采用SRF05超聲波傳感器作為系統(tǒng)的通信模塊。作為發(fā)射端模塊，沒有使用Echo接收端的功能。該模塊采用3節(jié)干電池供電，打開焊接的開關(guān)后，指示燈亮，模塊自動發(fā)射8個周期的40 kHz方波超聲信號?？諝庵袔缀鯖]有超聲信號，選擇40 kHz的超聲信號可以忽略空間的其他聲源的干擾。
1．2．2 聲接收及硬件濾波模塊
    該模塊也采用SRF05超聲波傳感器作為系統(tǒng)的通信模塊，作為接收端，沒有使用發(fā)射功能。接收端接收信號后，通過硬件濾波，判斷是否為有效信號。圖2為接收模塊的電路圖。若接收到40 kHz的信號電路導(dǎo)通，I／O口Echo輸出高電平、OUT端輸出1；若接收到的信號中沒有40 kHz的信號電路不導(dǎo)通，I／O口Echo為低電平、OUT端為0。該系統(tǒng)使用了3個接收端，其位置關(guān)系如圖3所示。

1．2．3 FPGA計算時間差模塊
    模塊采用Altera FPGA CyclonelI EP2C5T144計算時間差。信號接收端1接收到有效信號后觸發(fā)FPGA的計數(shù)器，接收端2接收到有效信號后停止計數(shù)且觸發(fā)另一個計數(shù)器，接收端3接收到有效信號后停止計數(shù)。計數(shù)數(shù)值乘以FPGA的頻率可以得到兩個時間差。
1．2．4 單片機(jī)模塊
    采用飛恩卡爾智能車芯片MC9S12XS128。該芯片接收到FPGA傳來的兩個時間差，再利用麥克問距、聲速算出聲源距離小車的距離r和角度α，并產(chǎn)生合適的PWM驅(qū)動電機(jī)使小車準(zhǔn)確到達(dá)聲源處。

2 軟件設(shè)計
    圖3為系統(tǒng)程序流程圖。

2．1 聲源定位算法設(shè)計
    如圖4所示，在小車上安裝3個等間距的端口，間距為d，且3個端口在同一直線上。要測量的是點聲源M與中心陣元曰的距離r與方位角α。

    t12為聲源到達(dá)端口1和2的時間差；t23為聲源達(dá)到端口2、3的時間差；陣元間距為d；聲速為c。在遠(yuǎn)場平面波近似條件下，由幾何關(guān)系得
   
    利用角度估計的遠(yuǎn)場條件，但仍不放棄柱面波和球面波的假設(shè)，由余弦定理和泰勒展開得到目標(biāo)距離
   
2．2 FPGA算法設(shè)計
    FPGA根據(jù)聲接收模塊的信號，進(jìn)行時間差計算。當(dāng)有一路信號有效時啟動計數(shù)器開始計時，另外兩路信號同時有效時停止計數(shù)，且計數(shù)結(jié)果可以借助計數(shù)器的存儲功能得以存儲。所用FPGA主頻為50 MHz，時間差=計數(shù)值×0．02μs。根據(jù)兩次的時間差值，利用定位算法可以實現(xiàn)定位功能。此外還設(shè)置了各路鎖存信號，可以判別出聲源的左右位置。圖5為利用Quartus II所設(shè)計的FPGA簡單計數(shù)的電路圖。

2．3 電機(jī)驅(qū)動算法設(shè)計
    選用雙直流電機(jī)的小車模型進(jìn)行試驗，兩個電機(jī)分別對小車左側(cè)的兩個車輪和右側(cè)的兩個車輪進(jìn)行控制。預(yù)設(shè)PWM波的頻率值為10kHz。在單片機(jī)MC9S12XS128芯片特定的應(yīng)用程序CodeWarrior IDE中進(jìn)行代碼編寫。針對不同的電機(jī)系統(tǒng)，需要進(jìn)行實測并判斷合適的轉(zhuǎn)向、延時時間。

3 結(jié)束語
    采用40 kHz的信號有利于避免外界干擾，使信號的誤判率降低。系統(tǒng)采用FPGA與單片機(jī)結(jié)合的形式進(jìn)行聲導(dǎo)航，使小車能夠準(zhǔn)確到達(dá)聲源處。電機(jī)運(yùn)行環(huán)境和路面狀況不同時，由r和α產(chǎn)生合適的PWM比較困難，需要不斷調(diào)試，最終找到合適的PWM。該技術(shù)方案還可推廣，搭載家用小型餐桌、兒童搖籃、電腦桌和餐廳餐車等以實現(xiàn)智能行走功能，為生活提供方便。