基于延迟估计算法的声音跟随小车

【摘要】本文介绍了基于延迟估计算法的声源定位小车的设计。本系统由音频接收、信号处理、无线收发、电机驱动及液晶显示五个模块构成。根据时间差确定声源位置。具体阐述了相关硬件及软件的设计，实际电路测试表明该系统稳定可靠，对声源的定位有较高的精度。

【关键词】声源定位;延迟估计;麦克风阵列;智能小车;低功耗

Abstract：This article introduces a design the car use to follow the sound based on delay estimation algorithm.The system include the audio signal processing，wireless transceivers，motor drives and LCD five modules.Sound source position is determined according to the difference of time.Specifically addressed the related hardware and software design，the actual circuit tests show that the system is reliable，sound source localization for higher accuracy.

Keywords：sound source localization;delay estimation;microphone arrays;smart car;low power consumption

1.引言

声源定位是一个一直以来比较热门的话题，它可以克服光线条件较差或者有障碍物阻挡的环境，有效正确的定位出复杂环境中的目标位置。[1]而近年来，地震、海啸等自然灾害频发，给社会带来了重大的人员伤亡和经济损失。由于灾区情况比较恶劣，往往救援人员没法在最佳时间内找到被困人员。所以设计一个声源定位小车，作用类似于生命探测仪，能够利用声音到阵元的时间差来计算出声源位置，将会为救援工作带来极大便利。本文针对该智能小车的软硬件分别做了介绍。

2.系统设计方案

延迟估计算法的基本问题就是准确迅速的估计阵列中各个阵元收到信号之间的时间差，由于阵列所处的环境中可能存在有噪声和混响，如图1所示，会给检测结果造成较大影响。考虑到噪声音量一般不会特别大，因此我们给信号的接收设定一个阈值，只有超过该阈值的信号才视作是我们感兴趣的信号。

图1

图2 系统框图

本系统主要由音频接收、信号处理、无线收发电机驱动及液晶坐标显示五个模块构成。通过单片机计算出三个MIC接收到声音信号的时间差来确定声源位置，驱动小车驶向声源处，并将声源坐标通过无线收发模块传到另一块单片机上，通过12864液晶屏来显示。系统框图如图2所示。

3.系统硬件设计

3.1 音频接收模块

音频接收模块包括前级放大，中间级滤波以及后级迟滞比较器电路组成。

前级放大电路如图3所示，用S8050作为放大器件，构成公射放大电路，用10uf的电解电容进行直流隔离，当阵元接收到声音信号时，MIC的两端电压将产生波动。由Re=0Ω，所以音频放大电路上发射极电阻接近为0，在此计算交流放大倍数应该为∞，所以只要相应的MIC接收到声音，相应的引脚就会被置低电平，如果没有接收到信号则是高电平。

图3 前级放大电路

滤波电路如图4所示。人发出的声音大约为300Hz-3000Hz，为了排除其他噪声的干扰，设计出一个带通滤波器。该有源二阶带通滤波器由前级高通滤波器和后级低通滤波器组成。

图4 中间级滤波电路

后级迟滞比较器模块如图5所示。迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器，具有电路简单、灵敏度高的特点，且抗干扰能力强[2]。由于环境中存在噪音，必须给定一个门限，只有超过门限才能视为有声音。在不同的环境中，可以调节滑动变阻器，改变门限电压，滤去一些小的噪声。

3.2 MCU中央处理器模块

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已经得到了广泛的应用，在国内已经进入了飞速发展的阶段。[3]

图5 迟滞比较器

其中430X1XX系列是基于闪存或ROM的超低功耗MCU，提供8MIPS，工作电压为1.8V-3.6V，具有60KB的闪存和各种高性能模拟及智能数字外设。在低功耗方面，其处理器功耗（1.8-3.6V，0.1-400uA，250uA/MIPS）和口线输入漏电流（最大50nA）都远低于其他系列产品。

3.3 无线收发模块

nRF905无线芯片是由挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。

该芯片工作电压为1.9-3.6V。32引脚QFN封装。除了两种常用的工作模式（shock-burst TM收、发）外，实际工作中为了节能降耗，还可以通过软件设置空闲模式及关机模式，非常适合本设计。

nRF905芯片在shockburst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与单片机通信。芯片内集成了有关RF协议的高速信号处理单元，具有一个外控SPI接口，信息的的传输方式及通信速率均由外围微控制器决定。

4.系统软件设计

4.1 算法

图6给出了各个阵元的实际位置。三个MIC分别在A、B、C点，设声源在P点，通过单片机读出△t1和△t2，设声（下转第93页）（上接第91页）速为V，我们可以以A、B为焦点，长轴长为△t1*V/2画出一条双曲线，再用同样的方式，以B、C两点为焦点，长轴长为△t2*V/2画出一条双曲线，两条双曲线交与P点，P点就是声源位置。

图6

设以A、B为焦点的双曲线的长轴长a1，短轴长为b1，以B、C为焦点的双曲线分别为a2和b2，则两双曲线的表达式分别为：

联立上述两式，可以解出：

图7 系统程序流程图

根据△t1和△t2的正负号可以判断出P点所在的象限，并求出P点的坐标。

小车转动角度为：

需移动的距离L为：

4.2 系统程序流程图

系统的程序流程图如图7所示。

5.结束语

本设计运用延迟算法，以MSP430作为控制核心，可以较为准确的计算出声源的位置，并通过小车来达到跟踪声源的目的，且在实测中具有较高的精度。但环境中的噪声以及混响将会对本设计带来一定影响，后期会考虑将麦克风阵列技术引用到本设计中，按照某种特定的几何拓扑方式组合的一系列麦克风传感器，利用阵列信号处理技术来对每个阵元接收到的信号进行处理，可以更好的消除噪声源对语音信号的影响。

参考文献

[1]荣茂成，祖丽楠，杨鹏.移动机器人听觉定位技术研究[J].机器人技术与应用，2008.

[2]康华光.电子技术基础：模拟部分[M].1979.

[3]沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[J].2004.