声源定位系统（毕业论文）.doc

某某：基于单片机的声音定位系统设计 PAGE 2 l 0 前言 声音是我们所获取的外界信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，人们可以判断出物体相对于自己的方位。有些应用场合，人们需要用机器来完成声音定位这个功能，并且往往要求定位精度比较高。2003年的美伊战争期间，人民网、CCTV网站的军事频道、国防在线等网站均报道了装配于美军的狙击手探测技术，这项技术其中一部分就包含了声源定位技术。 声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是： 1）不受通视条件限制。可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。 2）隐蔽性强。声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。 3）不受能见度限制。其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。 以下对美军装备的报道来自于《“巴格达之战”考验英军巷战武器装备》一文，该文刊登于2003年4月8日国防在线美伊战争专题。“狙击手声测定位系统通过接收并测量膛口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置，通常仅能探测超音速弹丸。这种系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。美国BBN系统和技术公司的声测系统，通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类。该系统为固定设置型，采用2个置于保护区两侧的传声器阵列或6个分布在保护区内的单向传声器。传声器通过电缆或射频链路与指挥节点相连。为了准确定位，需事先确定传声器的距离，精度要在1米以内。该系统可探测到90％的射击，定位精度为方位1.2°、水平3°。此外，美国的“哨兵”和“安全”有效控制城区环境安全系统均是采用声测定位技术的反狙击手系统。 美军这一套声源定位系统通过定位弹丸产生的特殊激波和冲击波，探测出狙击手的位置，在战场上有效保护战士生命。而在民用方面，声源定位系统也有广阔的应用前景。试设想一下未来的可视电话，如果在电话上装上声源定位系统，实时探测出人说话的方位，则我们可以控制可视电话的摄像头跟踪移动的说话人。无论人在屋里的哪一个角落，摄像头始终都可以将人拍在图像正中间。这样，我们可以在任意的位置使用固定安装的视频电话。由于人在使用这种视频电话时可以自由活动，势必使得电话交流更加生动有趣。而使用这种可视电话来进行视频会议将给与会者带来很大的方便。 声音给人们带来了方便，丰富了人们的生活。而对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明，声源定位系统是一个很有意义的研究课题。 近年来，随着嵌入式系统数据处理能力越来越强，使用它来构建小型声源定位系统已经现实。但是，现在市面上还很少有这样的成品。其主要受限制于声源定位对数据采集的特殊要求，一般的定位系统少则几个采集通道，多则十几个甚至几十个采集通道，而且各通道之间要保持同步采集。现在比较流行的定位系统都使用传声器阵列，一般使用8个以上的传声器，也就需要8通道以上的同步采集设备与之相配。本论文的工作主要是根据声源定位系统对数据采集的要求，开发了一个数据采集系统，并在此基础上构建了一个声源定位系统，然后尝试了一种定位算法，试图发现并解决一些声源定位系统实用化中存在的问题。 1 声源定位系统简介 1.1 系统设计要求及步骤 1.1.1 设计要求 本次设计的系统需要具备如下设计要求： 声源定位区域为60cm*60cm的正方形； 声源频率在3±1kHz左右； 声源定位误差在±5cm以内； 能够显示定位坐标； 功耗低、性价比高。 1.1.2 设计步骤 1）总体方案的选择、分析、论证，并画出系统的结构框图； 2）硬件电路设计并进行硬件焊接； 3）软件编程； 4）进行调试； 5）逐步修改，将所需的功能完全实现。 1.2 系统方案选择与论证 1.2.1 声源定位原理 方案一：仿人双耳的声源定位原理。人是我们最熟悉的一个声源定位系统，人的两只耳朵是这个系统的主角。由于耳廓具有非常特殊的形状，声音经过耳廓的处理后，大脑只需要根据两只耳朵所接收到的声音强度就能大致定位某一个声源的位置。国外科学家把人的头部用球的模型来近似，在球相对的两极各安装一个传声器，给出了两耳功能的解析方程能够有效的定位声音的方向。然而要模拟制作出耳廓这样具有特殊结构的传感器是比较费劲的。 方案二：基于到达时间差的声源定位原理。人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音录制的相位差别，我们可以计算出同一声音到