B题 声音导引系统 (四川.西南科技大学)

1 系统方案设计
1.1 系统方案
根据题目的功能及参数要求，本系统基本结构示意图如图 1 所示。
无线通信 模块
主控模块
电机驱动 模块
移动声源电机
发声模块
声源检测模块
图 1 系统结构示意图
声源检测、主控模块、电机驱动及信号无线传送方式等的方案选择情况如下： 1）声源检测：（方案一）用运算放大器将拾音器输出的微弱电信号放大，用 LM393 比较器产生方波信号，以触发单片机中断，但由于有较多的干扰信号，使 音频信号无法正确提取，还会至使控制器死机。（方案二）用驻极体话筒作为拾 音器，经 KIA4558 运算放大器前级滤波放大、KIA4558 组成二阶有源带通滤波器
N
从目标队列加
载目的坐标
Y
数据解码 （Buffer）
N
是否有新
坐标信息
Y
是否到达 目的地
Y 声光指示
（停留5秒）
N
控制小车 运动
2 设计与论证
结束
图 3 软件控制流程图
2.1 声源检测及定位系统
1）声源检测原理 声源检测系统示意图如图 4 所示。
声源
信号 t0
接收器
声音 t1 图 4 声源检测系统示意图
5）无线传送模块：采用 nRF2401 2.4GHz 射频收发模块。nRF2401 收发模 块工作于 2.4~2.5GHz ISM 频段，工作电流只有 10.5mA，低功耗。对比高性能蓝 牙透明串口，具有更高的性价比，与其它常用低频传送模块相比具有明显的抗干
扰优势。
综上所述，本系统的实现采用模块化系统结构，底层步进电机驱动，人机接 口单元采用独立的 CPU 控制结构，中央控制单元采用 AVR 系列 MEGA88 实现， 模块之间由 SPI 和 UART 的串行总线连接。模块化结构设计利于工作的并行开展。
1.2 控制方案
声源定位模块将检测到的声源位置信息通过 nRF2401 无线通信模块实时传 输给可移动声源主控模块，主控模块根据目标位置信息和定位模块发出的实时位
置信息之间的误差，计算控制量后输入到驱动模块实现可移动声源位置的控制。
根据功能要求，为了在提高可移动声源的运动速度的同时提高位置控制精 度，本系统选用改进的 PID 位置闭环控制算法。其主要思想是在线根据误差信号 及其变化情况调整 PID 控制器的参数，该控制算法具有更优越的控制性能，参数 整定方便，满足题目的控制要求。
(3)
2.2 控制系统
1）位置误差信号及可移动声源方向的确定
根据图 6，当声源位置 S(x,y)确定后，可计算出位置误差为 Ex 0.5 Sx 。
当主控模块检测到系统运动至 3-5cm 时，即可获得起始位置到当前位置之 间的矢量，从而得到可移动声源的方向，即可任意设定可移动声源的初始角度。 2）可移动声源的运动控制
本检测系统采用计时的方式检测声源到接收机之间的距离。首先接收器通过
无线通信模块向声源模块发送发声命令，同时开始计时（t0），声源模块接收到 命令后以最快响应速度驱动扬声器发声，接收器接收到扬声器的声音后，立即停
止计时，并记此时刻为t1，然后计算声源到接收机之间的距离S，公式如式（1） 所示。最后，接收器将距离S通过无线通信模块发送给声源模块。
拾音器
二阶有源带 通滤波器
前级放大
比较器产生 方波信号
图 10 声音接收部分电路
接收处 理器
5V
VCC
R4
330 C9
C8
47uF
47uF
MIC1 MIC
R25 3K3
R5 1K
C13 R24 102 1K
R1 100K VCC
8
C4
1uF R9 100K
R7
2
10K 3
C6 10uF R12
100K
参考位置
改进 PID 控制器
可移动声源
声源位置检测 图 2 控制系统示意图
1.3 软件设计方案
开始
初始化选择工 作模式(Mode)
工作模式 （Mode）
Mode = 1
使能目标队列 1小车直线、
正向行进
Mode = 2
使能目标队列 1小车直线、
反向行进
Mode = 3
使能目标队 列2小车曲线 、正向行进
re -
3 电路设计
Kp
Ki/S
u
KdS T
图 7 PID 控制原理图
对象
y
3.1 硬件系统组成
硬件系统主要由 Mega88 单片机主控单元模块、步进电机驱动模块、声音发 生模块和声音接收处理模块组成。
3.2 主控单元模块
在本系统设计中，主控单元的主要任务是控制发音器发音，接收可移动声源 位置反馈信息，实现可移动声源的运动控制算法，因此不需要复杂的硬件资源， 用 Mega88 小系统加上无线收发模块 NRF2401 即可满足设计要求。
4
U2A
LM358AN
A
1
C5
R10 1uF 6.2K
GND
GND
GND GND
GND
图 11前级滤波放大电路
4 测试结果及分析
P5
2 1
Header 2
4.1 测试数据
测试仪器：
秒表一个（精度：0.01s），钢尺一把（精度：1mm） 测量结果如表 1~3 所示。
表 1 声源距离测量数据表
测量项目
第一次 第二次
滤波以及 LM393 比较器产生方波信号，以触发单片机中断，实现对声音信号的 采集。（方案三）在方案二的基础上，用与发音扬声器相同型号的扬声器作为拾
音器代替驻极体，利用扬声器的共振可以有效提高信号的信噪比。相比之下，采
用方案三。 2）车体结构：可移动声源的车体结构采用 3 轮双驱后置方案。相比双轮前
y/cm
X
C(0,100)
r3 S(x,y) W
r1
r2
A(0,0)
O
B(100,0) x/cm
图 6 声源定位原理
x2 y2 r12 , (x 100)2 y2 r22 , x2 ( y 100)2 r32
(2)
x (r1 r2 )(r1 r2 ) / 200 50 , y (r1 r3)(r1 r3) / 200 50
S (t1 t0 T )
(1)
其中， T 为系统固有延时， 为声音在空气中的传输速度。
为提高检测的可靠性和精度，需对接收到的声音信号进行处理。先对信号进
行放大，再经二阶有源带通滤波处理，用比较器产生方波信号，触发单片机中断。
基本过程如图 5 所示。
A
A
A
0 T1
t
T1 T2
控制；若用直流电机进行位置控制，会给系统设计增加较大的难度，因此不考虑
用直流伺服电机。 4）主控模块：使用 ATMage88 单片机。AT51 单片机位操作功能强大，但内
部 12 分频，使运行效率降低，内部存储空间不大；凌阳系列单片机资源丰富、 运行速度比较快，但单片机成本较高；DSP、FPGA 等高级控制器具有强大的功 能，但功耗很大，芯片价格较高；而 AVR 单片机，网络上技术资料很多，内部 资源丰富，性价比较高。故采用 AVR 单片机。
本系统运动控制采用改进的 PID 算法。控制原理图如图 7 所示。由于固定参 数的 PID 控制器不能很好同时实现可移动声源位置的高速高精度控制，所以本设 计采用可调参数的改进型 PID 控制算法对可移动声源的方向和速度进行控制，最 终实现精确位置控制。
该改进型PID控制算法的参数（K p ,K i ,K d ）共有“大中小”三组值，其调整 或切换规则如下：（1）当误差较大且误差变化率较小，采用最大的一组PID参数； （2）当误差较小且误差变化率较大，采用最小的一组PID参数；（3）其他情况， 采用中等大小的一组PID参数。
3.3 步进电机驱动模块
步进电机的驱动模块如图 8 所示。
主控 Mega88 单片机
电机控制模块 MMC-01
功率驱动 ICL298N
步进 电机
负载
中断信号
图 8 步进电机驱动模块示意图
3.4 声源模块
声音发声模块如图 9 所示。
主控 Mega88 单片机
声音发声驱动 ICL298
扬声器
图 9 声音发生模块
t
0 T1 T2
图 5 声音信号处理基本过程
2）声源定位原理 声源定位原理如图 6 所示。以A为原点，AB方向为x轴正方向，AC方向为y 轴正方向，建立平面直角坐标系。根据声源检测原理获得声源到接收器A、B和C 的距离r1、r2和r3，建立方程（2）。求解方程（2）可得到式（3）所示的声源S 在直角坐标系的坐标（x,y）。
平均速度（cm/S）
10.21 11.13
11.50
超 过 OX 轴 左 侧 的 距 离 1.13
1.82
1.70
（cm）
定位误差（cm）
0.72
0.81
0.58
第四次
45.00 3.83 11.75 1.88
0.75
第五次
55.00 4.56 12.05 1.21
0.84
表 3 发挥部分测试数据表
驱，双轮后驱有利于可移动声源的灵活运动；而四轮车转弯性能稍差，故不采用
双轮前驱和四轮车的设计方案。根据任务需求，车体要做得比较规范，尽量的小。 3）电机及其驱动方式：采用步进电机。步进电机控制简单，用 NEC 的 MMC-1
可以简单实现步进电机的驱动，用 74HS402-02 步进电机，功率 30W，功率较大， 在负上一个大扬声器后仍有足够的驱动能力，不容易丢步，可以完成精确的行程
Abstract: The designed system realizes the motion control of the mobile sound source based on main process unit (MPU) AVR Mega88 MCU and NEC’s motor control chip MMC-1 controlling L298N chip. The MPU controls L298N by PWM method to drive the speaker, receiving feedback information from the receiver, and calculate the sound source’s current location and the moving direction after information filtering. Afterward, the high-speed high precision steering control according to sound source can be implemented through the PID control for stepping motor. Keywords: guide by sound, motion control, PID algorithm.
第四次
45.00 2.94 15.32 1.87
声音导引系统
西南科技大学 姜军 周仁彬 丁华建 赛前辅导教师：张华 文稿整理辅导教师：王姮 梁艳阳
摘要：系统以 AVR 系列 Mega88 为主控模块，采用 NEC 的电机控制芯片 MMC-1 控制 L298N，实现可移动声源的运动控制。主控模块通过 PWM 控制 L298N 驱 扬声器发音，同时接收接收器反馈的声源位置信息，经滤波处理并计算出声源当 前的位置以及得到新的运动方向后，通过 PID 位置控制算法控制步进电机实现可 移动声源的高速高精度声音引导定位。 关键字：声音引导，运动控制，PID 算法
在单音频下，用电机驱动 ICL298 驱动扬声器，可以用 PWM 波控制 L298 使 扬声器有较大的发音功率，并可以方便的调整发音 PWM 的占空比和频率，使拾 音器发出响亮的声音。
3.5 声源接收模块
用与发音扬声器相同型号的扬声器作为拾音器，利用扬声器的共振可以有效 提高信号的信噪比。接收器声音信号处理流程如图 10，接收拾音器采集的声音 信号通过二阶有源带通滤波器和前级放大之后，通过比较器产生方波信号触发单 片机中断完成声音的采集，部分电路图如图 11。
第三次
第四次
测量距离（mm）
49.9 57.8
71.1
88.9
实际距离（mm）
50.0 60.0
70.0
80.0
第Βιβλιοθήκη Baidu次
147.5 150.0
表 2 基础部分测试数据表
测量项目
第一次
第二次
第三次
到 OX 线的垂直距离（cm） 25.00 35.00
40.00
到达 OX 轴的时间（S）
2.45
3.14
3.48
测量项目
第一次
第二次
第三次
到 OX 线的垂直距离（cm） 25.00 35.00
40.00
到达 OX 轴的时间（S）
2.22
3.04
2.97
平均速度（cm/S）
11.25 11.50
13.45
超 过 OX 轴 左 侧 的 距 离 1.50
1.32
1.56
（cm）
定位误差（cm）
0.50
0.45
0.68