声音引导跟踪系统毕业设计论文.docx
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声音引导跟踪系统毕业设计论文
第1章绪论……………………………………………………………………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
第2章智能机器人发展现状………………………………………………3
2.1国内外的发展现状综述………………………………………….....3
2.1.1国内智能机器人发展概况…………………………….............3
2.1.2国外智能机器人发展概况……………………………………..4
2.2智能移动机器人的广泛应用…………………………………………6
2.3智能移动机器人的发展趋势展望……………………………….....8
第3章方案论证与比较…………………………………………………10
3.1系统整体方案比较与选择……………………………………………10
3.1.1误差信号判断方式的比较与选择………………………….....11
3.1.2接收器分布方式的比较与选择…………………………….....11
3.1.3移动体运动方式的比较与选择…………………………….....12
3.2系统各模块选择与论证………………………………………….....12
3.2.1车体方案的选择…………………………………………….....12
3.2.2电源种类方案的选择………………………….………………13
3.2.3供电方式方案的选择……………………………………….....13
3.2.4主控器芯片方案的选择………………………………….....13
3.2.5电机驱动方案的选择……………………………………….....14
3.2.6电机模块方案的选择……………………………………….....15
3.2.7声源与声音传感器方案的选择………………………….....15
3.2.8声音调理期间的选择…………………………………………16
第4章设计与论证…………………………………………………………17
4.1制导系统方案的理论计算…………………………………………...17
4.1.1误差信号的产生………………………………………………17
4.1.2滤波电路的理论计算…………………………………………18
4.1.3声源定位原理…………………………………………………18
4.2驱动系统方案的理论计算…………………………………………...19
4.2.1电机运行速度理论计算………………………………………19
4.2.2控制理论的简单计算…………………………………………20
第5章电路硬件设计…………………………………………………21
5.1系统总体框图设计…………………………………………………21
5.2系统各模块硬件设计………………………………………………22
5.2.1控制器子系统设计及相关概论………………………………22
5.2.2发声系统设计及相关概论……………………………………26
5.2.3电机驱动子系统设计及相关概论……………………………27
5.2.4声音接受子系统设计及相关概论……………………………29
第6章系统软件设计…………………………………………………32
6.1系统主程序流程图…………………………………………………32
6.2系统各模块子程序流程图…………………………………………33
6.2.1声源位置计算子程序流程图设计……………………………33
6.2.2电机驱动子程序流程图设计…………………………………34
6.2.3光标示子程序流程图设计……………………………………35
6.2.4控制接收器的子程序流程图设计……………………………35
6.2.5PWM算法子程序相关概论…………………………………36
第7章测试方案与测试结果…………………………………………38
7.1测试方案……………………………………………………………38
7.1.1测试仪器……………………………………………………38
7.1.2测试数据……………………………………………………39
7.2测试结果与误差分析………………………………………………40
7.2.1测试结果分析………………………………………………40
7.2.2误差分析……………………………………………………40
附录……………………………………………………………………………41
参考文献………………………………………………………………………46
致谢……………………………………………………………………………47
第1章绪论
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。
1.1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。
1.2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引导跟踪系统，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。
1.3国内外发展现状
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
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6 000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、食品行业等领域中。
1.3.2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、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产和服务领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。
俄罗斯由于没有国家发展服务机器人的统一规划，有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的发展以科研和实验为主，以储备技术，便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人，当前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化程度较低，需要不断地增加功能、同时完善技术和提高质量。
1.4智能移动机器人的广泛应用
现代智能移动机器人基本能按人的指令完成各种比较复杂的工作，如深海探测、作战、侦察、搜集情报、抢险、服务等工作，模拟完成人类不能或不愿完成的任务，不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务，在不同领域有着广泛的应用。
智能移动机器人按照工作场所的不同，可以分为管道、水下、空中、地面机器人等。
管道机器人可以用来检测管道使用过程中的破裂、腐蚀和焊缝质量情况，在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作,对地下管道进行修复；水下机器人可以用于进行海洋科学研究、海上石油开发、海底矿藏勘探、海底打捞救生等；空中机器人可以用于通信、气象、灾害监测、农业、地质、交通、广播电视等方面；服务机器人半自主或全自主工作、为人类提供服务，其中医用机器人具有良好的应用前景；仿人机器人的形状与人类似，具有移动功能、操作功能、感知功能、记忆和自治能力，能够实现人机交互；微型机器人以纳米技术为基础在生物工程、医学工程、微型机电系统、光学、超精密加工及测量等方面具有广阔的应用前景。
在国防领域中，军用智能移动机器人得到前所未有的重视和发展，近年来，美英等国研制出第二代军用智能移动机器人，其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。
如美国的Navplab自主导航车，SSV自主地面战车等。
在未来的军事智能移动机器人中，还会有智能战斗机器人、智能侦察机器人、智能警戒机器人、智能工兵机器人、智能运输机器人等等，成为国防装备中新的亮点。
在服务工作方面，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛应用服务智能移动机器人，以清洁机器人为例，随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得清洁机器人进入家庭成为可能。
日本公司研制的地面清扫机器人，可沿墙壁从任何一个位置自动启动，利用不断旋转的刷子将废弃物扫入自带容器中；车站地面擦洗机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸入所带的容器中；工厂的自动清扫机器人可用于各种工厂的清扫工作。
美国的一款清洁机器人具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。
瑞典的一款机器人，表面光滑，呈圆形，内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。
一旦微处理器识别出这些障碍物，它可重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。
甚至在体育比赛方面，也得到了很大的发展，近年来在国际上迅速开展起来足球机器人与机器人足球高技术对抗活动，国际上已成立相关的联合会FIRA，许多地区也成立了地区协会，已达到比较正规的程度且有相当的规模和水平。
机器人足球赛目的是将足球撞入对方球门取胜。
球场上空高悬挂的摄像机将比赛情况传入计算机内，由预装的软件作出恰当的决策与对策，通过无线通讯方式将指挥命令传给机器人。
机器人协同作战，双方对抗，形成一场激烈的足球比赛。
在比赛过程中，机器人可以随时更新它的位置每当它穿过地面线截面，双方的教练员与系统开发人员不得进行干预。
机器人足球融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线数字通讯、自动控制与最优控制、智能体设计与电力传动等技术于一体，是一个典型的智能移动机器人系统。
现代智能移动机器人不仅在上述方面有广泛应用，而将渗透到生活的各个方面，像在煤炭工业在矿业方面，考虑到社会上对煤炭需求量日益增长的趋势和煤炭开采的恶劣环境，将智能移动机器人应用于矿业势在必行。
在建筑方面，有高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、擦玻璃机器人、地面抛光机器人等。
在核工业方面，主要研究机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻的机器人等等。
智能移动机器人的应用领域的日益扩大，人们期望智能移动机器人能在更多的领域为人类服务，代替人类完成更多更复杂的工作。
1.5智能移动机器人的发展趋势展望
智能移动机器人具有广阔的发展前景，目前机器人的研究正处于第三代智能移动机器人阶段，尽管国内外对此的研究已经取得了许多成果，但其智能化水平仍然不尽人意。
未来的智能移动机器人应当着力发展，面向任务，由于目前人工智能还不能提供实现智能机器的完整理论和方法，已有的人工智能技术大多数要依赖领域知识，因此当我们把机器要完成的任务加以限定，及发展面向任务的特种机器人，那么已有的人工智能技术就能发挥作用，使开发这种类型的智能移动机器人成为可能，传感技术和集成技术，在现有传感器的基础上发展更好、更先进的处理方法和其实现手段，或者寻找新型传感器，同时提高集成技术，增加信息的融合。
机器人网络化，利用通信网络技术将各种机器人连接到计算机网络上,并通过网络对机器人进行有效的控制。
智能控制中的软计算方法，与传统的计算方法相比，以模糊逻辑、基于概率论的推理、神经网络、遗传算法和混沌为代表的软计算技术具有更高的鲁棒性、易用性及计算的低耗费性等优点，应用到机器人技术中，可以提高其问题求解速度，较好地处理多变量、非线性系统的问题。
机器学习，各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展，强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到机器人系统中，使其具有类似人的学习能力，以适应日益复杂的、不确定和非结构化的环境。
智能人机接口，人机交互的需求越来越向简单化、多样化、智能化、人性化方向发展，因此需要研究并设计各种智能人机接口如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等，以更好地适应不同的用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互的和谐性。
多机器人协调作业，组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无法完成的复杂任务，在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决策和操作。
第2章声音引导跟踪系统设计方案
基于单片机的声音引导跟踪系统，利用传声器接收声音信号，经过前级信号调理电路，完成信号的检测；由控制芯片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，从而实现了对声源跟踪。
系统包含传感器的信号采集和电机驱动的电路选型设计，以及单片机的程序设计。
2.1系统整体方案比较与选择
根据设计要求，系统可以分为两个基本模块，由一片八位单片机实现，本声音导引系统的控制关键在于，精确检测误差信号，使接受声音向声源位置运动。
系统示意图如下，初步分析设计方案。
图2-1系统示意图
AB与AC垂直，o’y是AB的中垂线，ox是AC的中垂线，S为声源的位置。
声音导引系统有一个声源S和一个移动的声音跟踪车体，三个声音接收器A、B、C之间可以有线连接。
声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，三个接收器产生一个误差信号，将此时间差信号通过单片机处理判定传输至驱动部分引导其运动。
可移动声源运动的起始点位置可以任意指定。
2.1.1误差信号判断方式的比较与选择
方案一：
判断声音的强弱
在可移动声源向Ox线逼近时，把接收器A和B接收到声源的声音的强弱分别转换成它们与声源之间的距离，从而判断声源是否到达目的地。
方案二：
判断接收信号的时间差
启用单片机定时器，根据接收器A、B和C接收器接收到声音的时间差来判断声源的位置，进而调节电机运行的速度，直至声源是否到达目的地。
方案分析：
比较方案一和方案二，鉴于方案一中声音的强弱受外界干扰太大，检测到的声音信号会出现误差，而测量时间差则相对精确，所以本系统采用方案二。
2.1.2接收器分布方式的比较与选择
方案一：
接收器采用矩阵式分布
优点为矩阵式接收器最大面积的接受到信号，具有高精度的接收误差信号的能力。
处理器可以做出更精密的判断从而减少误差的出现。
方案二：
采用三点分布的接收器分布方式
优点为通过ABC三角形分布两两点判断方式更直接的判断声音的方向。
缺点是会有一定的误差出现，可以通过调整电路进行信号滤波处理。
方案分析：
方案一的误差相较于方案二小一些，但方案二的信号判断方式更加直接，减少处理器的运算高负荷，同时方案二的成本相较于方案一低很多。
鉴于两点原因本系统才用方案二。
2.1.3移动体运动方式的比较与选择
通常的运动方法有轮式和履带驱动式两种，其选择依赖于路面状况、机械复杂性和控制复杂性。
方案一：
采用普通三轮车或者四轮车
优点为体积小，摩擦力小，在相同牵引力下速度快，但不易控制，由于车体承载能力不强，在承受一定负重后会明显影响车速并且转向不稳。
方案二：
采用履带式结构
特点：
两个电机分别驱动两条履带。
优点是可以在原地转动，可负重较大时不会明显影响车的性能；在不平的路面上性能稳定，摩擦力很大，牵引力大。
缺点为只有在加大功率情况下才能保证车速不会太慢、能量损耗大，机械结构复杂。
在实际应用中，车体运动的范围小，且需要车行进缓慢以便定位。
三轮或普通的四轮车通常摩擦力小于履带车，综合考虑选择方案二。
2.2系统各模块选择与论证
根据题目要求系统模块分可以划分为：
驱动模块，控制模块。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
2.2.1车体方案的选择
方案一：
通过玩具电动车进行改装
优点是玩具电动车具有组装完整的车架、车轮和电机。
玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，同时具有良好的外观。
玩具电动车是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能适应题目中小车准确前进、停止、转弯等要求，而且这种电动车一般都价格适中。
方案二：
自己制作电动车
自制电动车可以按照自己的思想来设计，能够很好的实现各种模块的耦合。
但一般的说来，自己制作的车体比较粗糙，在道路上行驶时，车身平衡性不高，而且无法要
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