基于声源定位的智能小车控制系统设计与实现
时间：2022-11-18 19:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱 智,严 超,潘晓辉
(无锡太湖学院,江苏 无锡 214063)
听觉传感器技术日趋成熟,可以弥补单一视觉传感器在视野和能见度方面的限制。将声源定位技术[1]运用在智能汽车中,不仅可以实现紧急规避,还能根据不同声源特征及时做出响应,提高复杂路况下无人自动驾驶控制精度。本文通过麦克风传感器,设计实现能够自主识别信标的智能小车,研究声源定位技术在智能汽车领域的实际应用。
为实现声音定位需求,智能小车以麦克纳姆全向轮H型车模为主体结构,采用四列麦克风阵列实现声源定位[2],前后安装避障模块,实现对行进方向上障碍物的合理规避。
智能小车控制系统主要分3个部分:控制器、传感器和驱动模块。控制器用单片机负责处理由各传感器采集到的环境信息,并且根据环境信息输出控制信号[3];传感器包括FM传感器、麦克风模块、编码器等,负责采集环境信息和小车运行状态信息;驱动模块有电机及相应的驱动电路,接收单片机控制信号,对小车运行状态进行控制。系统总体方案设计,如图1所示。
图1 系统总体方案
系统总体流程为:FM模块和麦克风模块检测环境信标发出的Chirp声音信号并传给单片机;编码器采集电机转速并传给单片机,形成速度闭环控制,电机采用增量式PID控制,用PWM波控制电机输出功率。单片机通过FM模块和四路麦克风模块得到的信息,判断出车的相对位置,计算出电机的期望速度值,通过速度环控制小车速度,并控制车模运动方向,包括旋转、平移。
2.1 整体结构
智能小车硬件系统整体结构,如图2所示。
图2 硬件系统整体结构
硬件系统主要分为电源管理模块、声音采集模块、速度采集模块、单片机处理核心模块、电机驱动模块和交互模块。稳定性是硬件的基本要求[4],选取线性电源芯片给MCU供电,降低主控电路复杂度,按照车模外形设计电路板的外形,将驱动电路与MCU分开,分成主控和驱动部分电路。
2.2 主控电路
智能小车采用TC264芯片作为主控芯片,该芯片具有高性能、功能全等优点,可以满足对车模的准确控制和交互。采用线性稳压源,结合MC34063转压芯片,为各模块稳定供电。
智能小车需要接收信标灯发出的Chirp音频信号,因此需要使用麦克风传感器接收音频波形[5]。采用Max9814麦克风模块,具有可控自动增益功能,能较好地接收远距信号。为降低信号噪声[4],在数字处理之前对信号电平进行优化,避免噪声被放大或衰减。在数字域内进行无损转换和高品质音频信号处理,保持原有信号的音质。
智能小车避障采用易于使用且性能稳定的E18-D80NK红外避障传感器,尽可能地减少传感器的数量,以提高运行的稳定性。H车模适合正反双向行驶,因此需要在前后各安装两个避障传感器,增加车模的避障范围。
2.3 驱动电路
驱动为分立元件制作的直流电机可逆双极型桥式驱动器,其功率元件由LR7843型MOSFET管组成,能够极大地提高电机工作的转矩与转速。采用IR2104S芯片实现信号控制,采用航空铝材质的K14-ODZ-512 P/R型号编码器构建速度采集电路,在减轻重量的同时又有极佳的耐撞性。
高效稳定的软件程序和高适应性的算法是智能车快速平稳运行的基础。使用PID控制算法完成对智能车的转向和速度控制,使在寻线中的智能车达到快速的效果。程序流程如图3所示。
图3 程序流程
3.1 数据采集
麦克风采样频率为每秒2 048次。在理想情况下,返回的Chirp信号应与FM接收到Chirp信号完全一致。但是由于环境噪声、车模自身噪声等因素干扰,收音效果存在一定影响。采用卡尔曼滤波算法[6]过滤噪声干扰。该算法响应速度快,灵敏度高,占用资源少,适合于嵌入式系统解决实时问题。
使用系统的动态模型,控制输入,考虑不同时间的联合分布以及多个连续测量来形成系统变化量的估计,较只使用单次测量获得的估计卡尔曼滤波更精准,有明显优势。卡尔曼滤波器在预测步骤会生成当前状态下的变量及其对应不确定性估计。若在实时监测中观察环境噪声等随机误差引起的异常,卡尔曼滤波器就会更新这些估计值,以更高的确定性给予估计值更多的权重。
3.2 控制算法
小车运动过程中需要躲避熄灭的信标灯和其他小车,系统接收红外光电传感器模块信号,使小车接近障碍物时能够及时进行规避动作。考虑H车麦克纳姆轮可斜移的特点,如果开环控制不对车轮转速进行精确控制则极易出现打滑、漂移、甩尾等问题。采用增量式PID控制算法[7]来实现对小车的闭环控制,以保证小车的稳定运行。
以小车实时位置为坐标原点,左右横向为x轴,前后纵向为y轴,以目标点y轴坐标绝对值作为速度控制误差输入控制器。设置上限速度,距离较远时以上限速度运动,距离近时受PD控制器调节减速,便于新一轮寻灯时输出速度目标转速。编码器将捕获的小车速度作为反馈量,经过PID计算后传输给MCU,主控芯片经过一系列数据的处理、分析后,将快速计算出的消除误差控制输出量再次实时反馈给小车驱动模块,实现小车平滑控制。
本文设计并实现的基于声源定位的智能小车,依靠声音信标信号到达各个麦克风收音模块的时间差估计以及时间延迟估计,实现模拟环境中信号的测向和测距,使小车对运行路径做出合理规划,在运动过程中躲避障碍物,为智能汽车声源检测与定位系统的研究提供实践参考。
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