声音定位跟踪系统毕业设计论文

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1、目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1 1.1 课题研究的目的与意义.1 1.2 课题研究的内容与要求.2 1.3 国内外发展状况.2 1.3.1 国内智能机器人发展概况3 1.3.2 国外智能机器人发展概况4 1.4 智能移动机器人的广泛应用5 1.5 智能移动机器人的发展趋势展望7 第第 2 2 章章 系统方案论证和比较系统方案论证和比较 9 9 2.1 系统整体方案比较与选择9 2.1.1 误差信号判断方式的比较与选择10 2.1.2 接收器分布方式的比较与选择10 2.1.3 移动体运动方式的比较与选择11 2.2 系统各模块选择与论证.11 2.2.1 车体方案的选择11

2、 2.2.2 电源种类方案的选择12 2.2.3 供电方式方案的选择12 2.2.4 主控器芯片方案的选择12 2.2.5 电机驱动方案的选择13 2.2.6 电机模块方案的选择14 2.2.7 声源与声音传感器方案的选择15 2.2.8 声音调理期间的选择15 2.3 制导系统方案的理论计算.15 2.3.1 误差信号的产生16 2.3.2 滤波电路的理论计算16 2.3.3 声源定位原理17 2.4 驱动系统方案的理论计算.18 2.4.1 电机运行速度理论计算18 2.4.2 控制理论的简单计算18 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 2020 3.1 系统总体框图设计.20

3、3.2 系统各模块硬件设计.21 3.2.1 控制器子系统硬件设计21 3.2.2 声音接受子系统硬件设计24 3.2.3 电机驱动子系统硬件设计26 3.2.4 发声系统硬件设计28 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 3030 4.1 系统主程序流程图.30 4.2 系统各模块子程序流程图.31 4.2.1 声源位置计算子程序流程图设计31 4.2.2 电机驱动子程序流程图设计32 4.2.3 光标示子程序流程图设计33 4.2.4 PWM 算法子程序.33 4.2.5 控制接收器的子程序流程图设计34 第第 5 5 章章 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 3535 5.1

4、测试方案.35 5.1.1 测试仪器35 5.1.2 测试数据36 5.2 测试结果与误差分析.37 5.2.1 测试结果分析37 5.2.2 误差分析37 附录38 致 谢.44 第第 1 章章 绪绪 论论 随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层 次上有了很大的提高。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。通 过声音导航定位，引导机器人往目的地运动，实现机器人的路线选择及较精 确定位。组建基于单片机的的声音导航定位系统，完成整个系统的软硬件设 计。机器人听觉定位跟踪声源系统研究是当前国际上的前沿课题。它是机器 人实现智能化必不可少的一部分，是智能科学研究成果在机器

5、人上的体现。 尽管取得了一些令人鼓舞的成果，但是机器人距离实现智能化还有很长的路 要走。随着脑科学、认知科学和人工智能等学科研究的发展，机器人听觉能 力必将产生突破性的进展。 1.11.1 课题研究的目的与意义课题研究的目的与意义 信号与信息处理学科是信息科学的重要组成部分，该学科水平的高低反 映一个国家的整体科技水平。数字信号处理已在通信、声音、图像、自动控 制、雷达、军事、航空航天等领域实现广泛应用。 数字信号处理的主要研究对象是声音信号和图像信号。现代技术发展中， 实现智能化、数字化是控制系统的重要发展方向。而声音信号的处理是重要 应用之一。滤波是声音信号处理的重要部分，其主要目的是在信

6、号中提取有 用信号，屏蔽无用的噪声。将提取的有用信号进行处理，从而控制硬件实现 智能化。声音控制小车是未来智能化发展的方向之一。声音定位在人和动物 的日常生活中着重要意义。通过声音导航定位，引导机器人往目的地运动， 实现机器人的路线选择及较精确定位。组建基于单片机的的声音导航定位系 统，完成整个系统的软硬件设计。 声音滤波电路在实际生活中有很多应用，可以通过声音的采集滤波实现 对某种声音的响应，比如智能声控机器人，通过人的声音对智能机器人实现 起名，控制向左、向右行走等。 1.21.2 课题研究的内容与要求课题研究的内容与要求 声音定位在人和动物的日常生活中着重要意义。通过声音导航定位，引 导

7、机器人往目的地运动，实现机器人的路线选择及较精确定位。组建基于单 片机的的声音导航定位系统，完成整个系统的软硬件设计。 设计了一个基于单片机的声音定位跟踪系统，利用传声器（MIC）接收 从机发出的声音信号，经过前级信号调理电路，完成信号的检测；由主机控 制芯片 MCU 对采集的声音信号进行处理，跟踪声源，计算出与移动声源位 置信息，显示出相对关系，从而实现了对移动声源跟踪。系统包含传感器的 信号采集，液晶显示部分和电机驱动的电路选型设计，以及单片机的程序设 计。 利用 L298N 双 H 桥电路组合而成的驱动模块，以 LED 数码管所组成的 显示模块等组成的外围车载电路，辅之以接近硬件的汇编语

8、言进行软件编程， 实现了电动小车根据接收器传回的信号，启动，加速，变速，限速，停止， 转向等各项运动，并能够通过 LED 显示小车行驶的路程和时间。本系统通过 调节 PWM 占空比来改变小车的速度，实现了对小车速度的精确控制，达到 了很好的效果，可广泛应用于控制领域。 1.31.3 国内外发展状况国内外发展状况 机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代 最高意义的自动化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的 成功。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生 活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄化越来越严重，更多的老人 需要照顾，社会保障

9、和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更 多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人 没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人 市场。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业, 使人类从 繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。本文对服务 机器人技术的研究现状和应用及其未来发展进行了综述。 1.3.1 国内智能机器人发展概况国内智能机器人发展概况 机器人产业是近 30 年发展起来的新型产业。我国政府早就开始组织了对 工业机器人的攻关，到了 1987 年，国家高技术研究开发计划就把智能机器人 作为七大重点领域之

10、一进行集中研究。经过十几年的艰苦奋斗，我国在水下、 空间、核领域等特殊机器人方面取得了令人欣慰的成果，一批机器人产品和 机器人应用工程应运而生。到 20 世纪 90 年代末，我国共完成了 l00 多项工 业机器人应用工程，建成了 20 个机器人产业化基地，从事机器人研究、开发 和应用工程单位 200 多家，专业从事机器人产业开发的 50 家左右，全国工业 机器人用户近 800 家，拥有工业机器人约 4000 台。2006 年发布的国家中 长期科学和技术发展规划纲要前沿技术中，我国将智能服务机器人列为重 点方向，提出加大科技投入与科技基础条件平台建设。 经过 20 多年的发展，我国已在多项机器人

11、关键技术中取得了突破性的发 展。以中科院沈 阳自动化研究所及清华大学、东北大学、哈尔滨工业大学为 代表的我国机器人研究基地,已经取得了令人瞩目的成果。比如 1989 年我国 研制的水下机器人就已出口到美国。1995 年我国又成功研制了深潜水下机器 人。同年我国自主开发的机器人关键技术出口韩国。1997 年我国的高性能机 器人控制器投入批量生产。这些具有代表性的技术成果均达到当时国际上的 先进水平。我国在机器人领域不但狠抓技术攻关,同时也注重人才培养。为我 国培养了一大批机器人技术的研究人才。近 10 年来，我国涌现出机器人领域 的学术带头人近 100 名，共发表具有一定学术价值的论文 6 00

12、0 多篇。在国 家的有力支持下，我国机器人步入了跨跃式发展时期。据不完全统计,在机器 人领域中 76 项关键技术及应用基础技术的研究成果达到了国际先进水平。获 国家科技进步奖 23 项，省部级科技进步奖 130 多项，发明专利 500 多项，实 用型专利 120 多项。从应用情况看,我国的机器人已经逐步走向产业化。国家 已将沈阳新松机器人自动化股份有限公司等 9 个单位确定为以智能机器人研 究为主题的产业化基地。现在全国 约有工业机器人用户 700 多家，拥有工业 机器人大约 4200 台，其中国产机器人占 1/5，其余从日、美、德等 40 多个国 家进口。由以上分析可以看出,近 10 年来我

13、国机器人技术得到了迅速的发展。 从技术水平上看，在某些方面与世界机器人技术水平的差距不是很大。但是, 从应用的广泛性来讲我国与日美发达国家相比就有很大的差距。特别是比较 现役机器人的数量，我国与国际强国相比差距更大。 我国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视，1986 年 3 月 才开始把研究、开发智能机器人的内容已列入国家 863 高科技发展规划中， 从 1986 年至 2009 年的 20 多年中，智能机器人主题在 863 的旗帜下，团结了 近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开 发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国 21 世纪机器人技术的持

14、 续创新发展奠定了基础。 我国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视，1986 年 3 月 才开始把研究、开发智能机器人的内容已列入国家 863 高科技发展规划中， 从 1986 年至 2009 年的 20 多年中，智能机器人主题在 863 的旗帜下，团结了 近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开 发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国 21 世纪机器人技术的持 续创新发展奠定了基础随着工业机器人技术发展的深度和广度以及只能水平 的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用，并还在不断的扩大，已从汽 车制造业推广到机械加工行业、电子电气行业、食品行业等领

15、域中。 1.3.2 国外智能机器人发展概况国外智能机器人发展概况 日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前 机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体 措施，日本机器人工业之所以领先世界，这和他们的机器人文化也有关，在 日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的 工作，因此培养起浓厚的机器人文化，日本政府也希望机器人研发成为本国 的支柱产业，所以投入大量资金。 韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的 10 大发动机产业，他们已经 把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展，对机器人技 术给予了重点扶持，通过不断地

16、努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人 的世界潮流。 美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲 折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、 先进，适应性也很强。 德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的,因为战争，导致劳动力短 缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了 70 年代中 后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路,即对于一些有危险、有毒、 有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动，这个计划推动了服务 机器人技术的发展。德国经过近十年的努力，其服务机器人的研究和应用方 面在世界上处于公认的领先地位。 法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应 用范围上处于世界先进水平，这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器 人技术，大力支持服务机器人研究计划，并且建立起一个完整的科学技术体 系，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。 从 70 年代末开始，英国政府推行并实施了一系列支持机器人发展的政策 和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补 贴、