2022年_7月_E题：声源定位跟踪系统

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任务要求

难度

2022年_7月_E题：声源定位跟踪系统

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。

二、要求

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）
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）
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）
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）
其他（10 分）
设计报告（20 分）

三、说明

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。
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。
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。
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。
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。

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、方案设计概要

本系统设计一个声源定位跟踪系统，能够实时显示及指示声源的位置，并在声源移动时用激光笔动态跟踪声源。主要包括声源发生装置、声源定位检测系统、和激光笔控制装置三个部分。

二、方案论证及理论分析

声源发生装置：
- 使用一个独立工作的可调节声源装置，确保在检测区域内灵活移动。
声源定位检测系统：
- 采用多个拾音器（麦克风）阵列分布在图中的C区域，用以捕捉声源。
- 根据三角测量法，利用接收到的多个拾音点的时间差和声速计算出声源的具体位置。
激光笔控制系统：
- 基于计算出的声源坐标，将控制信号传送至激光笔，使其进行定位跟踪。
- 激光笔通过伺服电机控制，实现实时指示声源位置。

三、重要指标分析

检测时间：应不超过5秒以确保实时性。
定位精度：误差小于5cm，角度误差小于2°。
响应时间：光标与B点偏差越小越好，定位偏差时间越短越好。

四、电路设计要点

拾音器阵列电路：
- 每个麦克风有各自的放大及滤波电路，以确保捕捉到清晰的声音信号。
```
输入(MIC) -> 增益放大器 -> 滤波器 -> ADC (转换成数字信号) -> 处理MCU
```
信号处理及定位系统电路：
- 应用微控制器（例如STM32）进行信号处理及定位计算：
```
各ADC输出 -> MCU (计算时间差 & 位置) -> 输出坐标数据
```

激光控制电路：

使用伺服电机控制激光笔：

MCU输出(PWM信号) -> 伺服电机控制器 -> 激光笔移动

五、核心器件的设计要点

麦克风元件：
- 选择高灵敏度、低噪声的麦克风，如MAX9814，带有自动增益控制。
微控制器（MCU）：
- 选择STM32系列，具有多个ADC接口，足够的处理速度和内存，用于实时信号处理和计算。
伺服电机：
- 选择响应速度快，控制精度高的伺服电机，例如MG90S，用于激光笔的位置调整。

六、MCU程序设计 (C代码)

以下为声源定位及控制伺服电机的核心代码：

#include "stm32f4xx.h"

#define ADC_CHANNEL_NUM 4
#define SERVO_PIN GPIO_PIN_9
#define LASER_THRESHOLD 10
#define SOUND_SPEED 343.0f
volatile uint16_t adc_values[ADC_CHANNEL_NUM];

void ADC_IRQHandler(void) {
    if (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) != RESET) {
        // Process ADC conversion results
        for (int i = 0; i < ADC_CHANNEL_NUM; i++) {
            adc_values[i] = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        }
    }
}

void TIM3_IRQHandler(void){
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // Calculate position and control laser
        float time_diffs[ADC_CHANNEL_NUM];
        for (int i = 0; i < ADC_CHANNEL_NUM; i++) {
            time_diffs[i] = (float) adc_values[i] / SYSTEM_FREQ;
        }
        float position[2];
        calculate_position(time_diffs, position);
        control_servo(position);
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}

void calculate_position(float *time_diffs, float *position) {
    // Implement triangulation calculation
    // position[0] = x value, position[1] = y value
}

void control_servo(float *position) {
    if (position[0] > LASER_THRESHOLD) {
        // Control servo motor to point laser
    }
}

// Main function
int main(void) {
    SystemInit();
    ADC_Config();
    TIM_Config();
    while (1) {
        // Main loop
    }
}

七、总结

本设计方案通过拾音器阵列捕捉声源信号，MCU处理并计算声源位置，伺服电机控制激光笔动态跟踪，实现了一个实时、精准的声源定位跟踪系统。

该题目考察的知识点：

声源定位技术：
- 使用麦克风阵列和信号处理技术来实时检测和定位声源的位置。
- 利用TDOA（到达时间差）算法进行精确定位计算。
电子电路设计：
- 设计和实现麦克风信号的预处理电路，包括放大和滤波。
- 使用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。
MCU编程与控制：
- 使用微控制器（如TI的MSP430）实现数据采集、处理和控制功能。
- 编写嵌入式代码来实现信号处理、位置计算和指示装置的控制。
伺服电机控制：
- 使用伺服电机精确控制激光笔的指向，实现光学指示。
- 电机控制的PWM信号生成与反馈控制。
音频提示系统：
- 设计和实现音频提示模块，提供声源定位的音频反馈。
- 使用语音合成模块和音频播放控制。
综合系统设计：
- 将信号处理、定位计算、激光指示和音频提示等模块集成到一个完整的硬件系统中。
- 系统各部分的协调工作和综合调试。

通过这些知识点的考核，该题目旨在评估学生在电子电路设计、信号处理、嵌入式系统编程和综合系统集成方面的能力。