文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)03-0141-03
EAST是全超導(dǎo)磁約束等離子體放電裝置,，大量實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)需要有效的監(jiān)控以作出必要的控制或檢查。除了視頻監(jiān)控,，設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的聲音是反映其運(yùn)行狀態(tài)的有效途徑,，且往往可以得到視頻無(wú)法獲取的設(shè)備狀態(tài)信息。但放電期間設(shè)備所處環(huán)境電磁輻射強(qiáng)烈,，基于以上分析對(duì)聲音定位機(jī)器人進(jìn)行了調(diào)研,。參考文獻(xiàn)[1]分析了一款具備聲音定位與超聲避障的機(jī)器人設(shè)計(jì)，其測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)角度定位精確,，但麥克風(fēng)配置不足,，無(wú)法定位聲源距離。參考文獻(xiàn)[2]中機(jī)器人可以定位聲源角度和距離,，但機(jī)器人缺少輔助導(dǎo)航手段,，如視覺(jué)輔助、超聲測(cè)距等,。參考文獻(xiàn)[3]中機(jī)器人采用PC平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算,，使得機(jī)器人載重較大，移動(dòng)和供電不便,。本文綜合各個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了一款具備聲源角度,、距離定位能力和視覺(jué)超聲等導(dǎo)航輔助的機(jī)器人,。利用該機(jī)器人可在放電期間對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聲音監(jiān)測(cè)定位并遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行定位跟蹤。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)由聲音定位子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)組成,。遠(yuǎn)程終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人建立連接,，傳遞控制命令和數(shù)據(jù)信息。
聲音定位子系統(tǒng)硬件主要采用數(shù)字信號(hào)處理器芯片TMS320F2812,、2片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656與麥克風(fēng)陣列等實(shí)現(xiàn),。機(jī)器人采用美麗NI公司的單板機(jī)器人平臺(tái)SBRIO-9632實(shí)現(xiàn)，該機(jī)器人平臺(tái)配有飛思卡爾MPC5200嵌入式處理器,， 主頻達(dá)400 MHz,， 運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。另外根據(jù)需要外擴(kuò)移動(dòng)電源模塊,、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊,、圖像采集模塊及超聲避障傳感器等硬件外設(shè),。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
2.3 麥克風(fēng)陣列模型
設(shè)聲源s空間位置坐標(biāo)為(x,y,z),7只麥克風(fēng)坐標(biāo)分別為(0,0,0),、(±1,0,0),、(0,±1,0)、(0,0,±1),。此陣列的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小,，但所受局限是：聲源越接近坐標(biāo)軸，距離誤差越大,。此時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)麥克風(fēng)陣列一定角度,，重新測(cè)量即可。
2.4 TDOA算法的硬件實(shí)現(xiàn)
TDOA算法硬件采用DSP芯片作為計(jì)算平臺(tái),，數(shù)據(jù)處理程序利用CCS(Code Composer Studio) V3.3開(kāi)發(fā),。
首先，多路同步采集要求模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片具有多個(gè)采樣保持器,，此處選用AD7656芯片,，具有6個(gè)采樣保持器，且支持級(jí)聯(lián),，可實(shí)現(xiàn)6×N通道同步采集,，最高采樣率250 kS/s。采用2片AD7656級(jí)聯(lián),，通過(guò)CPLD編址譯碼對(duì)AD7656進(jìn)行控制,并寄存多通道同步輸出數(shù)據(jù),。采用DSP芯片中斷機(jī)制的定時(shí)器單元實(shí)現(xiàn)2個(gè)A/D共用的起始轉(zhuǎn)換信號(hào)ADCON，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)降低信噪比,，可通過(guò)合理的設(shè)置定時(shí)中斷T1PINT的值達(dá)到系統(tǒng)精度的要求,。設(shè)置片選信號(hào)ADCS0和ADCS1均有效。AD7656芯片輸出數(shù)據(jù)為16位無(wú)符號(hào)整型格式,麥克風(fēng)輸出的直流偏置電壓會(huì)掩蓋聲音小信號(hào),， 所以數(shù)據(jù)處理必須去掉直流偏置電壓,。另外噪聲會(huì)污染信號(hào)的頻譜，影響定位精度,，采用適當(dāng)?shù)臑V波器可以在很大程度上提高信噪比,。設(shè)置150 kHz采樣率，時(shí)間分辨率可達(dá)6.67 ?滋s,，對(duì)應(yīng)距離分辨率0.23 cm,。通過(guò)串口與機(jī)器人上位機(jī)通信，用于輔助控制機(jī)器人進(jìn)行定位跟蹤,。
除去系統(tǒng)誤差,，麥克風(fēng)拾音能力、噪聲,、多聲源,、混響以及加權(quán)窗口函數(shù)的選取都可對(duì)定位精度產(chǎn)生不同程度的影響,。
2.5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)室搭建簡(jiǎn)單環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示,。
3 機(jī)器人單元
利用SBRIO-9632平臺(tái)開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程控制,、超聲測(cè)距避障及圖像采集等功能。SBRIO開(kāi)發(fā)平臺(tái)配有Xilinx Spartan3 FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯功能(如電機(jī)控制等),。嵌入式處理器采用飛思卡爾MPC5200,，內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；另有 LabVIEW Robotics配套開(kāi)發(fā)軟件,。該軟件包含機(jī)器人多種功能模塊的范例,，在此基礎(chǔ)上可以方便快速地開(kāi)發(fā)所需要的應(yīng)用程序。
3.1 機(jī)器人硬件部分
機(jī)器人硬件設(shè)備擴(kuò)展有超聲傳感器,測(cè)量前方±90°,、范圍2~300 cm的障礙物距離;以無(wú)線路由實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制,，IP攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)圖像,硬件組成如圖3所示。
超聲傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,實(shí)測(cè)誤差小于3 cm,，可以輔助對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,。運(yùn)動(dòng)速度范圍為0.5～5 m/s。圖4中右下控件顯示聲源定位距離俯仰角方位角(r,φ,θ),。由PC終端運(yùn)行上位機(jī)LabVIEW程序與機(jī)器人建立網(wǎng)絡(luò)連接,，輸出FPGA host以供各個(gè)FPGA模塊建立與機(jī)器人的數(shù)據(jù)連接。使用FPGA電機(jī)讀寫(xiě)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,，以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角,，超聲讀寫(xiě)模塊獲取超聲傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行避障測(cè)距算法。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)客戶端集成實(shí)現(xiàn)了對(duì)攝像頭方向控制和實(shí)時(shí)顯示等功能,，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行跟蹤并且可以直觀地看到聲源的位置,。
仿真和實(shí)際測(cè)試表明，該聲音定位系統(tǒng)定位能力良好,，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對(duì)聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤,。目前多聲源環(huán)境下對(duì)聲源的定位問(wèn)題是研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn),，時(shí)延算法的適用性將受到限制,，多聲源環(huán)境下的定位算法和實(shí)現(xiàn)方法將是下一步研究的重點(diǎn),。
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