声音导引系统(本系统采用直流电机控制的小车作为移动声源).docx

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1、摘要11 系统方案22 设计与论证53 电路设计84 系统测试85 总结9参考文献9附录9声音导引系统摘要本系统采用直流电机控制的小车作为移动声源，整合MMC-I芯片、喇叭、麦克及无线模块，通过EasyARM1138来调控可移动声源达到目的地。在可移动声源行进过程中，声源发出一定频率的周期音频脉冲信号，EaSyARMI138根据各接收器接收声音的时间差可计算出移动声源的具体位置，然后通过无线模块把具体的坐标传送到主控制器，主控制器利用双闭环控制原理和PID算法分别对线速度和方向进行实时调整，从而使可移动声源成功达到目的地。本设计采用32位单片机做CPU,运算速度快，结构简单，电机控制快速准确。

2、该系统经过多次实验验证平均速度达到I1Cms,误差在ICm以内，超调小于ICm,达到了设计的要求。并且本系统增加了显示小车行驶时间和平均速度等特色功能。1系统方案1.1 整体方案比较为了更好的实现该系统要求的任务，对以下几种方案进行具体的分析和论证。方案一：从处理器把声音接收器接收到的声音信号通过A/D转换，转换成数字信号，然后把数字信号进行分析处理，根据声音的强弱计算出可移动声源与接收器之间的距离，把距离信息通过无线装置发给主控制器，通过主控制器进行PID运算,计算出角速度控制系数KW和速度控制系数Kv,根据这两个控制系数控制左右轮的转速和方向。方案二：从处理器把声音接收器接收到声音信号的时

3、间差进行处理，计算出可移动声源的具体位置(x,y),把此定位信息通过无线收发装置发给主控制器进行PID运算，用逐次逼近的方式进行双闭环控制，使可移动声源移动的方向与可移动声源和目标位置之间连线的夹角趋于零，以此减小超调量，降低误差，另外使可移动声源与目标位置之间的距离/s趋近于零，完成任务要求。方案一与方案二对比，可以看出方案一采用的D/A转换方式处理声音信号难以实现，因为距离较短，并且还要放大滤波，较为麻烦，此外方案一中对小车速度和方向采用的是开环控制，误差大，并且不稳定，而方案二中对可移动声源的定位则利用不同接收器接收声音信号的时间差，由数学运算得到的，这种方法简单，可靠性高，另外方案二中

4、对小车的控制采用的是双闭环控制，可以使可移动声源高速稳定的达到目的地。所以本系统采用的是方案二。1.1.1 主控制器模块选择方案一：采用89C51单片机实现。单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制，并且晶振频率相对较低，处理复杂算法耗时较长，另外51单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。方案二：采用32位的EasyARM1138单片机实现。此单片机可以工作在50MHz的频率下，处理速度快，有三个完全可编程的串口，并且8个通用计时器可以实现定时计数和PWM输出，另外本处理器具有64K单周期F1aSh,多路中断，同时这款单片机的低功耗、低成本，性价比高。结合题目的要求以及

5、EaSyARMI138处理器的特点，本系统选择方案二。1.1.2 小车电机控制方案方案一：玩具小车上的两个电机均为一般的玩具直流电动机，前轮用一个电机来控制方向，后轮用另一电机控制速度。方案二：采用一般的直流电动机，但是采用的是左右轮分开控制的策略，左右轮分别用一个电机控制。以上两种方案中，方案一是传统的控制小车方向的方式。但是由于转向太过灵敏，转向时容易卡死，造成电机烧毁，在方向控制时摆动过大不易精确控制。另外,在直道区直线行驶时，由于本身结构上的因素，其运动轨迹是个曲线运动。而方案二种只要送给两个电机的电压相等即可基本上实现直线运动。同时由于此方案中结构的因素，使得小车校正方向的灵敏度高，

6、适合本题运行稳定、高效和安全的要求,可以实现方向的精确控制，因此选用方案二。1.1.3 速度控制模块方案一：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转矩运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。方案二：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整，此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏,寿命较短，可靠性不高。方案三：采用由双极性管组成的H桥电路。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子

7、的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。1.1.4 电源模块由于小车的耗电量很高，因此电源的好坏直接影响小车的整体性能。如果采用传统的干电池或蓄电池直接给小车供电，随着电压的降低，相同占空比控制下的电机转速不同，造成小车不能正常完成全路程，因此通过干电池或蓄电池之后加电压稳压环节，使得小车在一定时间范围内能够正常运行，通过对各稳压集成块性能的查询，决定采用7805稳压集成芯片。1.2 控制方案该系统主要由声音采集处理模块、无线收发模块、控制模块和直流电机构成,其

8、整体的系统结构框图如图1-1所示。图系统结构框图2设计与论证2.1 软件设计发送部分软件设计，主要进行等待定时器中断，接收到声音信号之后，产生中断，读出定时数据。通过计算两个接收器中断的时间差来确定声源所在的坐标。然后，把坐标数据通过无线模块发送到接收端。接收部分软件设计，除了接收坐标数据之外主要进行的是通过坐标对小车的位置进行定位。为了提高控制精度，利用双闭环PID控制，使小车达到目的地。图2-1程序流程图2.2 误差的产生及分析在实际测量过程中，测量值与实际值存在一定误差，主要原因如下：D由于声速与测试环境（温度，噪声）差异，测量值也会产生误差。2）由于声音传播时间太短（小于5ms）,声音

9、采集量化环节对测量精度要求很高，电路延迟或其它原因会直接影响到测量数据的采集。3)由于声源占据一定空间，并且多数情况下声源与小车标定线并不在相同的位置上，测量值并不是实际需求值，二者存在几何对应关系。综上所述，由于直接测量数据的不可靠性，需要对其进行优化校正。修正硬件装配误差后，通过多次测量多个已知点坐标，将测量值与实际值比较，对测量系数在一定范围内进行蒙特卡洛优化，求得最优转化系数。2.3 声源定位算法可移动声源与接收器的具体位置如图2-2所示。(100,0)图22令。，12t13分别为S点到C,A,B三点的距离，7,T217；分别为声音到达C,A,B三点的计时时刻，”为声速，因此可得：1i

10、2=xs2(i-xs)24=VVz=(-xs)2又因为：11-12=Vq-T2)=V0AT1112-1.=V0(T2-T3)=VT2;所以=7xs20-1)2-ys2ys2；%的=xs2+n2-7(-s)2+2O通过解方程组获取(Xs，1)的可行解，既是可移动声源的具体位置坐标。2.4 距离与夹角控制算法为了对可移动声源的速度和运行方向进行精确的控制，首先需要求出距离目标的距离和当前位置与目标位置的夹角。设起始位置(Xb，)，当前位置(X1),目标位置(Xsi),则距离误差：1=xd-Xs)2+(Yd-Ys)2当前位置和目标位置的夹角为。+arctgY-Y其中，(XKTMT)和(XKM)分别为

11、声源的两次采样位置；arctg六y为KK-17小车自身校正角度。2.5 PID控制算法系统对可移动声源的控制采用的是PID控制，此控制方法简单，且稳定性高。PID控制算式采用增量式算法，辅以限幅和积分算法。U(K)=Ae(K)-Be(K-Y)+Ce(K-2)其中，A=KC+K,KM+华，3=(+2竿,C=毕7O7O7O0,e(k)EmaxKK1othersM(Q=U(K-1)+AU(K)U(K)=/(K),max，(K)Unuxothers其中K,为比例系数、K/为积分系数、K。为微分系数、7；采样周期(2550ms)EmaX为积分误差限（设定IoCm）、UmaX为电机的最大控制电压。3电路设

12、计本节给出声音信号的接收与处理两个主要模块的电路设计方案。3.1MIC信号处理电路主要对接收到的声音信号进行滤波、放大等处理。图3-1MIC处理电路4系统测试D小车能完成基本部分功能，通过控制达到目的地，能停止一段时间进行声光报警。2）小车能完成发挥部分功能，达到目的地并且定位误差小于ICm。3）具有显示模块，可以显示整个过程所用的时间。测试数据请见表4.1。表4-1系统测试数据待测数据数据响应时间4.3s平均速度11.6cms定位误差Icm本设计采用32位单片机做CPU,运算速度快，结构简单，电机控制快速准确。该系统经过多次实验验证平均速度达到17cms,误差在ICm以内，超调小于2cm,达到了设计的要求。并且本系统增加了显示小车行驶时间和平均速度等特色功能。参考文献1刘金琨.先进PID控制及其MAT1AB仿真.北京：电子工业出版社，20032康光华，邹寿彬.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，19983刘寿松.自动控制原理.第三版.北京：国防工业出版社，19944吴麒.自动控制原理.北京：清华大学出版社，19905陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航空航天大学出版社，2001附录1、扬声器驱动电路附图1扬声器驱动电路2、比较器电路附图2比较器电路3、EaSyARMI138原理图附图3EasyARM1138原理图4、双闭环控制方式附图4双闭环控制方式