声源搜索智能机器人设计毕业设计论文.doc
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1、声源搜索智能机器人设计摘 要声源搜索智能机器人将移动机器人技术和声源搜索技术有机地融合起来,实现对声源的自动搜索,近年来已成为国内外的研究热点之一。作为智能移动机器人的一个特殊应用,从技术层面上讲,声源搜索智能机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术,具有较强的代表性。从市场前景角度讲,声源搜索系统被广泛应用于电话会议、视频会议等系统中等等。因此开发声源搜索系统既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。 本文在研究了基于麦克风阵列声源搜索技术的基础上,提出了基于麦克风阵列声源搜索模型,最后设计了声源搜索模块的硬件电路,该硬件电路实现了对多个麦克风通道进行同步采样,并给出了详细的电路设计
2、方案。此外,以STC12C5A60S2单片机作为智能搜索机器人的检测和控制核心,小车上方以120度夹角安装的三个声音传感器将采集到的声音信号送到单片机进行处理。电机驱动模块L298N通过使电机正转反转和停止实现小车的移动。通过一定的声源搜索算法,使声源搜索智能小车逐步靠近声源,直到成功找到声源并由发光二极管与蜂鸣器实现声光报警提示。 实验表明,根据遗传算法设计的壁障算法可以控制机器人实现避开声源搜索路径上的障碍物障碍物,达到向着声源的方向逐步行进的目的。关键词 声源搜索;移动机器人;声音传感器The design of intelligent robot for source searchAb
3、stractIntelligent robot for sound source search unite the sound source search technology and robotics organic fusion together to achieve the automatic search of the sound source has been received domestic and foreign research attention in recent years. From a technical perspective, as a special appl
4、ication of intelligent mobile robot, the Intelligent robot for sound source search more specifically reflect the number of key technologies of mobile robots and has a strong representation. From the perspective of market prospects, the sound source search system is widely used in teleconferencing, v
5、ideo conferencing systems. Therefore, the development of independent research on sound source search system not only has research challenges, but also has a broad market prospect.First this paper gives the hardware design of sound source search module based on microphone array. The hardware circuit
6、is designed to realize the synchronous sampling of multiple microphone channel and gave the circuit design program in detail. In addition, STC12C5A60S2 microcontroller as the core of detection and control of intelligent search robot, three sound sensors installed above the car at 120 degree angle to
7、 collect the sound signal for SCM processing. The motor drive module L298N makes the motor forward, reverse and stop. Through the sound source of search algorithm, the sound source search intelligent car gradually close to the sound source until success found the sound source and a light emitting di
8、ode and a buzzer to achieve sound and light alarm.Experiments show that the barrier algorithm based on genetic algorithm can control the intelligent robot to avoid obstacles in the path of searching sound source and reach the purposes that the car moving gradually toward the direction of the sound s
9、ource . Keywords sound source search; mobile robot; sound sensor目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 声源搜索机器人国内外发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状31.2.3 未来声源搜索机器人的研究方向31.3 论文研究的内容4第2章 系统总体结构及声源搜索模块设计52.1 系统总体结构52.1.1系统功能框图52.1.2 系统各模块功能实现原理及方法52.2 声源搜索技术与方案论证62.2.1 声源搜索技术62.2.2 声源搜索方案论证62.2.3 方案选择82
10、.3 声源搜索模块电路设计82.3.1 设计思想82.3.2 声源搜索模块基本组成和逻辑结构92.3.3 声源搜索模块硬件设计92.4 本章小结17第3章 移动单元硬件设计183.1 控制模块的设计183.1.1 STC12C5A60S2的特性183.1.2 单片机最小系统设计183.2 避障模块设计193.2.1 避障模块电路原理图203.2.2 超声波测距模块特点213.3 电机驱动模块设计213.3.1 驱动模块的功能213.3.2 电机驱动方案213.3.3 电机驱动模块硬件设计223.4 指示模块设计233.5 电源模块设计233.5.1 电源选择233.5.2 电压转换方案243.
11、6 目标声源设计253.6.1 设计思想253.6.2 电路设计263.7 本章小结26第4章 软件设计274.1 主程序设计274.2 声源搜索程序设计284.3 避障程序294.4 本章小结30结论32致谢33参考文献34附录A35附录B52第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义声源搜索技术是利用声学与电子装置接受声波以确定声源位置的一种技术,它是一种重要的军事侦察手段。声源定位产生于第一次世界大战。开始根据火炮发出的声音测定火炮位置。其系统有多个声测哨站与声测中心组成,两者用电缆连接。声测哨根据传感器接受信号,声测中心记录信号并根据同一信号到达不同传感器的时间差计算火炮位置。随着雷达侦
12、测技术的兴起,声搜索定位技术曾一度遭到冷冻,法军和美军分别于70年代80年代取消了声测侦察。近年来,由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁,越来越容易遭受攻击。因此,人们又开始重视被动式传感器,重新激起对声测技术的兴趣。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: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;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;不受能见度限制;其他侦察器材受环境
13、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3。声源搜索定位在战场之外也同样具有广泛的应用前景,它可用于电话会议系统、视频会议系统、可是电话等系统中的控制摄像头和传声器阵列波速方向对准正在说话的人;也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理,以提供高质量的声音信号,提高语音及说话人识别软件的识别率;亦可用于强噪声环境下的声音获取、大型场所的会议记录,以提高声音拾取质量;还可用于助听装置中,更好地为耳障患者服务等。声音是人类常用的工具,是传递和获取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
14、声音,就可以判断出物体的方位。现在,人类已经进入信息化时代,声源定位技术的研究,使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息,这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。总之,声源搜索定位技术研究涉及声学、信号检测、数字信号处理、电子学、软件设计等诸多技术领域,在诸多军用和民用西东中具有极其重要的意义,对军事系统中,它有助于武器的精确打击,为最终摧毁对方提供有力保证;就民用系统来说,可以为目标提供可靠的服务,起到安全保障作用。声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、可全天候工作的特点,但因为声源定位环境的复杂性,再加之信号采集过程中不可避免的给语音信号掺进了各种噪声干扰,都是的定位问题成
15、为了一个极具挑战性的研究课题6。1.2 声源搜索机器人国内外发展现状机器人听觉定位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。1.2.1 国外发展现状基于麦克风阵列的声源搜索系统历史悠久、技术成熟,国外已经开发出多种不同系统。1999年日本会津大学开发了一种装配有实时声音定位系统以及障碍探测声纳系统的移动机器人。声音定位方法是基于人类听觉系统的“优先效应”处理回波和混响的一
16、种模型。定位系统由3个麦克风构成的等腰三角形阵列组成。2003年意大利里雅斯特大学和帕多瓦大学联合研制了智能声视联合多代理监视跟踪系统。它由几个机器人组成,都配有麦克风阵列和视频摄像机。声音系统用于对脚步声之类的声源进行轨迹跟踪,用途可作为博物馆等公共场所的人流记录系统,或监测在某作品前人们停留的时间长短。声音定位方法采用了波束成形技术,在4个麦克风阵列上运用神经网络,根据行者的脚步声实施定位计算。2006年韩国理工学院智能机器人研究中心开发了一种声视联合的机器人定位跟踪系统。该系统包括一个声音活动探测的概率声音定位子系统和使用视觉摄像机的人脸跟踪子系统。它能联合这些子系统弥补话者位置的偏差以
17、及能有效地拒绝从不希望方向进入的不需要的声音或噪音。2006年日本HONDA研究院开发研制了通过联合室内麦克风阵列和嵌入机器人头部的麦克风阵来实时跟踪多声源的系统。室内麦克风阵列(in-room microphone array,IRMA)系统由嵌入墙内的64通道麦克风组成。在2维平面上,IRMA系统基于加权延时累加波束成形法定位多声源位置。嵌入机器人头部麦克风阵列robot-embedded microphone array,REMA)系统用旋转台上嵌入机器人头部的8个麦克风来定位多声源方位角,其方位角通过使用粒子滤波来实时跟踪。2007年加拿大魁北克的珊不勒凯大学机电学院开发研制了避障机器
18、人。机器人具有鲁棒的定位性能和通过使用波束成形和粒子滤波能跟踪几个同时声源。系统使用8个麦克风阵列定位跟踪声源,它是先前研究工作15-16的扩展。系统由3个部分组成:麦克风阵列;基于可控方向的波束成形器的无记忆定位算法;粒子滤波跟踪器。该系统解决了用两个麦克风定位前后(front-back)模糊性以及当声源在两麦克风连线上时定位精度低等问题。2007年早稻田大学提出了一种精确的不需要严格的HRTF的声音分离方法。该方法的实施采用由机器人头部作为声音障碍所引起的声音强度差以及安装在机器人头部上的特殊排列的方向性麦克风来完成。在机器人头部的每一侧安装一对麦克风,一个朝前而另一个垂直朝外。这种麦克风
19、排列能产生含有完全不同干扰语音的两线目标语音。2007年日本京都大学开发了一种能使机器人在日常生活环境中选择和跟踪某个目标的系统。对于声源定位,提出了一种联合互功率谱(CSP)分析和最大期望(EM)的方法。该方法通过使用两个麦克风就能定位几个运动的声源,而不需要脉冲响应数据2。1.2.2 国内发展现状近些年,国内学者对声源定位的研究非常活跃,多数是基于麦克风阵列的声源搜索理论研究5。2003年陈华伟等提出了基于平方相干函数的频域自适应最大似然时延估计新算法。2004年林静然等提出一种改进的基于麦克风阵列的近场声源定位和语音分离算法。它结合双波束二维定位和近场最小方差波束形成技术在阵列近场范围内
20、实现声源定位和语音分离。2004年邵怀宗等基于麦克风均匀线阵和均匀圆阵,采用改进的MUSIC算法对近场声源进行定位。2004年陈可,汪增福提出一种使用声压幅度比进行声源定位的方法。该方法从阵列各拾音器所接收的电压信号幅度与相应拾音器到待测声源距离之间关系出发,给出了以声压幅度比为参量的约束条件表达式,建立了利用这些约束条件进行声源定位的算法。2004年马晓红等提出一种改进的多帧互功率谱时延估计法。由于互功率谱时延加权函数随信噪比变化,该方法将由一帧互功率谱加权函数峰值决定的时延估计值,改进为由多帧互功率谱加权后的峰值来定出时延估计值。2005年李承智等针对传统的自适应特征值分解时延估计算法收敛
21、时间慢、对初值敏感以及不能有效跟踪时延变化等问题,提出了一种改进的自适应特征值分解时延估计算法。该方法通过每隔一段时间重新设置信道冲击响应的初值,有效改善了对时延变化的估计。2006年河北工业大学完成的面向反恐领域基于多源信息融合的机器人感知系统研究是集成视觉传感器、听觉传感器和嗅觉传感器于一体的多感官信息融合技术的跟踪系统。听觉系统采用等腰三角形分布的3个麦克风阵列通过计算各麦克风之间的时间延迟和几何关系来判断声源的方位和距离2。1.2.3 未来声源搜索机器人的研究方向未来声源搜索机器人的研究方向主要有以下几个方面:基于麦克风阵列的波束形成技术定位跟踪声源的研究仍然是未来研究主流。近来人们提
22、出许多盲波束形成算法,它们的共同特点是在于不需要阵列校验、波达方向、训练序列、干扰和噪声的空间自相关矩阵等的先验知识。目前盲波束形成主要有基于常模量(CM)的算法,基于高阶累计量的方法以及基于周期平稳的算法;基于人耳听觉机理的声源定位是未来研究热点。它要涉及到听觉心理学、听觉生理学和神经科学等多种学科研究领域4。1.3 论文研究的内容通过对课题的选题背景研究现状以及智能机器人的优势发展趋势及面临的主要问题的分析,建立声源搜索智能机器人模型。根据现有条件和能力对不同方案进行比较后,选择最优方案实现硬件设计。本文设计了以STC12C5A60S2单片机作为控制核心的声源搜索智能机器人。单片机进行数据
23、处理且控制驱动模块L298N对步进电机进行驱动和调速,通过声源搜索程序对声音传感器返回数据的处理,判断发出固定频率和一定幅值的声源的距离和方向,单片机根据所得到的距离和方向信息控制驱动模块逐步逼近声源。第2章 系统总体结构及声源搜索模块设计2.1 系统总体结构2.1.1系统功能框图所谓智能机器人就是指人给予某种程度的具体指令以后,机器人能够理解人给予的命令,认识其工作环境,工作对象及其状态,根据给予的指令和认识结果,制定计划,进行作业,在工作中还具有跟踪工作对象的变化,适应工作环境的能力。现在所说的智能机器人的样子并不像人,只是模拟人的某些器官的功能和运动。它是电子计算机控制的具有识别、判断适
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