《声音导引系统》word版

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1、（A）声音导引系统摘要：本设计是由可移动声源和检测控制中心组成的声音导引系统。可移动声源以压电蜂鸣器作为发声器件发出3.2KHz的脉冲串信号，接收器通过驻极体话筒拾音放大后，经高Q值二阶带通滤波器获取该信号并送入超低功耗型单片机MSP430F247做处理。系统运动部分以两轮驱动电动小车为载体，驱动采用由直流减速电机（带霍尔传感器）和ASSP芯片MMC-1构成的直流伺服电机。系统运动采用位置和速度双闭环控制回路，并结合PID算法实现了快速而精确的控制，达到了1cm的控制精度和10cm/S快速运动响应。另外，系统所有方案均以低功耗和低成本为设计思想，采

2、用低功耗单片机、蜂鸣器、小电流直流减速电机等等。关键词：声音导引；闭环控制；PID1、系统方案1.1方案论证与比较1.1.1声源和声音检测定位系统的选择方案一：采用低音扬声器产生波长大于1.5米的连续低频音频信号作为声源，声音接收器端通过拾音器接受声音信号并放大后作相位检测，通过三个声音接收器接收到声音信号的相位差获取声源和三个声音接收器之间的距离。方案二：采用压电陶瓷蜂鸣片产生中频音频信号脉冲串，中频信号频率为3.2kHz，脉冲间隔为200mS作为声源，声音接收器端通过拾音器接受声音信号，放大比较并接入微处理器，通过三个声音接收器接收到同一个脉冲

3、串的时间差获取声源和三个声音接收器之间的距离。方案比较：方案一中，低频信号的产生需要大量能量，从而导致较大的功耗，另外相位检测电路较为复杂，成本很高，抗干扰能力差。方案二中，压电陶瓷蜂鸣片能在极低的功耗的情况下产生响度较大的声音信号，且检测音频脉冲串的时间差的方法比检测低频声音信号相位差地方法的抗干扰能力更强，且其驱动电路廉价。因此选用方案二。1.1.2可移动声源平台的选择方案一：采用XY轴运动系统，分别控制可移动声源XY轴方向的运动，以实现可移动声源的全平面任意位置的定点运动。方案二：采用两轮驱动电动小车作为可移动声源的载体，控制两轮电动小车的运

4、动以实现可移动声源的全平面任意位置的运动。方案选择：方案一控制精度高，但其制作复杂，成本高，另外XY轴运动系统难以实现快速运动，导致整个系统的响应速度难以提高。方案二两轮电动小车的运动速度快，制作方便简单，成本较低。因此选用方案二。1.1.3动力源电机的选择方案一：采用步进电机。通过对步进电机时序的控制，从而实现对可移动声源运动速度和位置的控制。方案二：采用直流减速电机。通过直流减速电机配合霍尔传感器以实现可移动声源运动速度和位置的控制。方案选择：方案一控制方法简单，控制精度高，但步进电机转速较慢，功耗大，难以实现系统的快速响应特性。方案二中，直流

5、减速电机转速较高，配合霍尔传感器形成闭环控制后同样能实现速度和位置的控制，而且在提供相同力矩和功率的条件下直流电机功耗较步进电机功耗小，所以选用方案二。1.2控制方案该系统是以声音为导引信号，使可移动声源从起始点运动到指定地点的运动控制系统。具体控制方法如下：可移动声源在导引区域中发出音频信号脉冲串，导引区中在1m*1m的矩形的三个顶点分别设置三个声音接收器，如果可移动声源到三个声音接收器之间的距离不同，那么三个声音接收器接收到同一个音频脉冲的时间将不同，通过这个时间差以及已知的声音在空气中的传播速度，可以计算出当前可移动声源到三个声音接收器的距离

6、，从而可以算得当前可移动声源距离目标位置的误差，通过该误差信号导引可移动声源移至目标点。系统采用负反馈控制，可移动声源移动期间不断校正位置误差，直至运动到目标点。2、设计与论证2.1理论分析与计算系统示意图如图1所示。当可移动声源发出一个声音脉冲后，接收器A、B、C将分别在、、接收到该脉冲信号，由于声音在空气中传播的速度V是一定的，因此可以获得可移动声源到接收器A和接收器C之间的距离差S1，以及可移动声源到接收器A和接收器B之间的距离差S2，且：S1=(-)×V(1)S2=(-)×V(2)通过数学运算可得可移动声源距离接收器A之间的距离a：(3)其

7、中，(4)进而求得可移动声源到Ox线的距离L1和可移动声源到O'y线的距离L2：(5)(6)综上可得，可以通过三个接收器接收信号的时间差求得当前可移动声源到Ox线的距离。而当可移动声源处在Ox线之上时（即L1=0），可以通过A,C接收器接收信号的时间差求得当前可移动声源到W点的距离。L1，L2即系统控制所要求的误差信号。2.2控制理论该系统是典型的位置控制负反馈系统，因此必须引入位置信号的负反馈，以实现位置的精确控制。另一方面，系统要求在精确控制的前提下提高响应速度，所以，还需引入速度的负反馈。因此，该系统是以位置环为外环，速度环为内环的双闭环控制

8、系统。系统结构框图如图2所示：位置调节器速度调节器位置给定电机声源移动位置给定当前位置————图2系统结构框图图2中位置调