2022电子设计竞赛自主不成熟设计

基于2022测控题目的方案

题目：

2022年TI杯大学生电子设计竞赛

声源定位跟踪系统（E题）

一、任务

设计制作一个声源定位跟踪系统，能够实时显示及指示声源的位置，当声源移动时能够用激光笔动态跟踪声源。声源检测系统测量区域分布俯视如图1所示。

图1 系统测量区域俯视图

二、要求

1．设计并制作声音发生装置——“声源”，装置能独立工作，声音音量手动可调，装置最大边长或直径不超过10cm，装置可用支架安装，并可在地面移动；声源中心点B用红色或其他醒目颜色标识，并在B点所在的平面以B点为圆心，直径为5cm画圆圈，用醒目线条标识，该平面面向检测指示装置（图中A点）。（4分） 

2．设计并制作一个声源定位检测装置，传感器安装在图1的 C区范围内，高度不超过1m，系统采用的拾音器或麦克风传感器数量不超过10个；在装置上标记测试参考点A，作为位置坐标的原点；装置上有显示电路，实时显示D区域内声源的位置，显示A、B两点直线距离γ和以A点为原点，AB在地面的投影与图1中心线的夹角θ，测量时间不超过5s，距离γ和角度θ的测值误差越小越好。（36分）     

3．设计并制作一个声源指示控制装置，此装置和上述声源定位检测装置可以合为一体。也放置在图1的 C区，安装有激光笔和二维电动云台，能控制激光笔指向声源，定位计算过程中时，激光笔关闭，定位运算完成时激光笔开启。定位指示声源时，动作反应时间不超过10s，光点与B点偏差越小越好。（30分）

4．声源移动动态追踪：当声源摆放在地面，用细绳牵引，以0.2m/s左右的速度在D区移动时，激光笔光点指向B点，光点与B点偏差越小好，跟踪反应时间越短越好。（20分）

5．其他（10分）

6．设计报告（20分）

项  目	主要内容	满分
方案论证	比较与选择，方案描述。	3
理论分析与计算	系统相关参数设计	5
电路与程序设计	系统组成，原理框图与各部分电路图，系统软件与流程图。	5
测试方案与测试结果	测试结果完整性，测试结果分析。	5
设计报告结构及规范性	摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。	2
总分		20

三、说明

1．声源可以发出自定的规则声音，如滴、滴、滴的蜂鸣器声音等，音量以不造成严重噪声污染为宜，并注意避免周围噪声的影响。

2．声源可使用符合尺寸要求的微型有源音箱，播放事先录制的声音。

3．声源定位跟踪系统最大尺寸水平高度控制在离地面100cm以下，声源放置在D区不高于50cm。

4．测试要求：要求2、3测试时，先按启动按钮，再放置音源；或先放置音源，但声源和指示装置明显不在一个方向上，一键启动；一个点测完后，移动声源，测量下一个点，期间无人工干预装置；要求4测试时，一键启动后移动声源，期间亦无人工干预接触装置，直至该项测试结束。

5．距离和角度显示稳定，如出现不稳定，以跳动中出现的偏离最大的数字作为结果。

任务分析：

制作三个装置：

声音发射模块：

设计一个声音源;

X,Y轴移动。

Solid work设计平底球状模块

发声模块：

无源蜂鸣器

Stm32板

。。。

亚克力封盒

代码思路;

1. 发出固定频率的波，用FFT识别检测，在计算接受得到的时间差。适用于先按启动按钮，再放置音源
2. 制作波形代码，输出波形，驱动电路发声。
3. 信号输出控制：开启信号---300ms—关闭信号

代码已做；

电路：

声音放大电路

声音检测模块：

1. FFT分析部分：通过大量数据观察，发现，对于频率为一的信号最为灵敏。如图所示
3. 很明显我们可以看到幅值的巨大差异。
4. 这样给了我们一个可靠的开始信号。

目前来说，最大的困难在于无法多通道检测。最直接的直接拿三个开发板。！！！！！

这三个可以这样做，比较，这三个输入，这三个那个输进去先超过一千，先disable，再输入一个进去，再disable，以此类推

计时装置：

计时精度经过计算1ms已足够。

之前制作过时钟可套用

FFT代码检测出开启信号，flagn0=1;

FFT代码检测出关闭信号，flagn=0；

得到三组值。

Flag10，flag20,flag30.

Flag1，flag2,flag3.

相差时间;a1=flag1-flag2, a2=flag2-flag3,

B1=Flag10-flag20;b2=flag20-flag30;

先根据a,b的正负计算区域

A1>a2:

A1>0,a2>0,w区

A2=0:在2，3中点处

A1>0.a2<0,z区（分界线在2，3中点处）

A1=a2:

1,3中点处

A1

A1>0, a2<0Y区

A1=0: 在1，2中点处

A1<0,a2<0；在x区

距离算法：

340m/s=1m/2.9411764ms=1cm/20.29411764s

运用TDOA检测方式

D1=A1/2.9411764

D2=A2/2.9411764

。。。

实际上，并不止这一点，另外，还需要再加上

声音指示模块:

舵机控制;目前舵机速率较慢但够用或功能受限，需改进

舵机控制

目前以28j为例：

代码已写。

角度控制完美，速度控制？

激光笔开关电路无，要求：最后输出

目前要求1，2，3都可以满足。接下来这样为满足，要求四开发出模式二，

情况分析;声源启动之后再旋转，第一次检测之后直接开灯，不延时关闭。

要求四能否按照变化规律PWM输出舵机转速。大致以0.2m/s移动，中间变化，可以大大节约计算空间，

Stm32系统板多买几片，直接暴力模块，不用整合。

目前情况在于开发板比较少，程序比较多，整和比较难，目前情况，

TDOA得到时间差，得出距离和方向。

缺少：定时器时间函数难以整合，两种方案：

1. 继续整合，
2. 采用新的系统板，pin脚交换信号，目前条件不允许，可以尝试

            步进电机难以整合，两种方案：

说白了，引入必要的函数库进行调用，但实际操作过程中，电机与机械结构息息相关。控制角度，高度，共要两个，可以整合，但目前代码水平不够。可能做不出来。

         而另外一种，则直接启用新版，电机驱动程序直接作为内部主程序。从长远来看比较合理。可以为下次比赛做准备。这次先做成两个电机控制。

               FFT检测 ：情况差不多，

但是更差，首先是计算问题，FFT，可以将角度测的很精准，可以优化代码。

输出角度，到电机程序。，距离的话，这里比较搞脑子，但是搞出来了

需要测定30cm左右声源变化下，FFT所测幅值变化

声衰减计算公式：AdiV=10lg[1/（4πr^2)]式中：AdiV——距离增加产生衰减值,dB；r——点声源至受声点的距离,

需要多组实验。

目前任务：

电机代码：输入角度，输入距离，立即旋转，控制两个电机，思路新机点，则可以用C51，专业用于电机控制，本质上一致。电机使用外部中断，含需要调制

TDOA，与定时器整合  完成    需要将角度，距离转化成旋转数据，电机熟悉后转化，放了舵机环境，可以进行舵机控制，向指定引脚PWM输出

以上两则，需要一个共同电平时间转换函数

FFT，检测

两部分吧：

1.30cm,检测，差别很小，在想其他方法

由于场地限制，无法使用42电机。采用28JBY舵机。这个优点在于可以直接控制角度，速度，TDOA代码结晶完善

FFT，计算方法，确定两个方向，

Angle3=180-angle1-angle2;

L1=100*sin(angle1)/sin(angle3)

Distance=L2=100*sin(angle2)/sin(angle3)

H=sin(angle2)*L1

X=l2*cos(angle1)

TDOA检测阵列：

好烦，早上写的忘记保存了。人马了。

不过目前，阵列设计完成，TDOA大体完成，但是需要检测实验，进度可以抱枕。

FFt检测方案：

1个检测不动，确定幅值最大，

舵机旋转，检测条旋转指示与声音幅值最大方向一致，两者之间距离确定，但是只能确定具体的方向，便于要求4的实现，开始时，使用TDOA，确定具体方位，后用FFT跟踪。

经过两天的奋斗，初步完成此项题目。大多数代码只是半完成品，但是方法可靠。

声源定位跟踪系统（E题）

1 系统方案

1.1 声源发声电路

方案一： 使用stm32运行例程控制电路蜂鸣器，扬声器发声。

方案二： 使用简易录音设备播放录制声音。

由于在测试中，蜂鸣器，扬声器，信号不稳定，简易录音设备方便调节故最终选用方案二。

1.2 阵列设计

方案一： 采用两个1*3直线阵列，两个直线夹角30度。

方案二： 两个间隔100cm检测装置，可随着声源检测过程，自由转动。

方案一采用TDOA检测方法，检测位置固定，将二维运动减为一维运动。比较容易理解，方法二则更容易随着声源变化而移动。故选方案一，二。

1.3 步进电机控制

由于条件限制，目前采用过28YBJ，精度不够，假想使用42步进电机。

1.4 系统总体框图

图1 系统框图

2 理论分析与计算

2.1音源检测电路设计

1.TDOA法：

建模：则检测过程可抽象为图二。

通过余弦函数和已知监测点之间距离为50cm,线A与线B，线B与线C之间差值分别为D1，D2：

可得到，原点距离H和角度一余弦值:

cosθ=502+H2-(H-D2)2）/（2*50*H）

cosθ=（(H+D1)2-502-H2）/（2*50*H）

联立后，可得，
H=（2*(50)2-D22-D12）/（2*（D1-D2））

再反代，可得  θ
 

2.双FFT检测法

FFT，计算方法，确定两个方向，

Angle3=180-angle1-angle2;

L1=100*sin(angle1)/sin(angle3)

Distance=L2=100*sin(angle2)/sin(angle3)

H=sin(angle2)*L1

X=l2*cos(angle1)

2.2信号测量

通过磁环感应电流再转为电压信号，用adc采样进行傅里叶分析，把时域信号转为频域信号，得到其频率与幅值，再通过多次数据测量进行比对的到幅度的转换系数。

离散傅里叶变换（DFT），是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换（DTFT）频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换以高效计算DFT。所以再分析时用了stm32进行fft分析。识别出指定频率的声波

TDOA方法基本可以理解。

FFT方法通过两线确定一个点，再通过数学得到距离。

 相关代码

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