基于TDOA的聲源定位系統設計

劉 坤,欒 雨,袁 帥,張曉光

(中國礦業大學信息與控制工程學院,江蘇 徐州 221116)

1 引 言

聲源定位在工業、軍事、民用等領域有非常重要的意義[1],如機械中故障診斷、電力狀態檢測及軍事中探測敵方飛機等。文獻[2]提出利用接收聲音信號的強度進行聲源定位,但定位精度較低。文獻[3]提出利用聲波的到達時間進行聲源定位,但要求聲傳感器之間的時間嚴格同步,實現較為困難。鑒于此,本文設計了一種基于TDOA算法的聲源定位系統。

該聲源定位系統基于TDOA算法[4]獲得4個聲傳感器之間的相對時間差,實現對特定頻率聲波的檢測。采用平面四元十字陣列建立的聲傳感器陣列實現位置解算,獲得聲源坐標。硬件上該系統綜合應用了鎖相環路、51單片機和運算放大器等元器件,軟件上利用C51語言編寫代碼,實現了對特定頻率聲波的定位。

2 系統框圖

基于TDOA算法的聲源定位系統可滿足使用者對不同頻率聲波的定位與檢測,其系統框圖如圖1所示。硬件電路主要采用51單片機和聲傳感器相結合,首先51單片機通過接收聲傳感器所發出的高電平信號觸發中斷,進行時間差獲取;然后應用TDOA算法和平面四元十字陣列得到聲源所在的三維直角坐標,并在顯示模塊顯示。

圖1 系統框圖

3 算法實現

基于TDOA的定位主要利用4個聲傳感器采集聲源發出的聲波信號,如圖2所示,其定位主要分為兩步。

圖2 基于TDOA的定位

第一步,獲得4個聲傳感器之間的相對時間差。因為4個聲傳感器位置不同,且與聲源的距離不同,因此4個聲傳感器接收到聲源信號的時間延遲不同。通過聲傳感器接收聲源聲波,被鎖相環路識別之后對51單片機的引腳輸出低電平,并通過51單片機的定時器中斷而獲得。

第二步,采用平面四元十字陣列[5]來建立聲傳感器陣列(如圖3所示),實現位置解算,獲得聲源坐標。圖3中,設O點為坐標原點,聲源點為P(x,y,z),聲傳感器的位置分別為S1,S2,S3,S4,聲傳感器距離原點的距離為L,聲源P距離聲傳感器S1,S2,S3,S4的距離分別為R1,R2,R3,R4。

圖3 平面四元十字聲傳感器陣列

由幾何關系可知,通過確定聲源P與坐標原點O之間的距離R,P點關于xoy平面的俯仰角θ,以及聲源P點在xoy平面的投影關于x軸正半軸的方位角φ,就可以得到聲源P的準確坐標。根據直角坐標和球坐標之間的轉化關系,可得到P點相應的球坐標為P(Rsinθcosφ,Rsinθsinφ,Rcosθ),0°<θ<90°。

選擇4個聲傳感器中的S1作為基準,記錄其余3個聲傳感器S2,S3,S4相對于基準聲傳感器S1的時延差τ21,τ31,τ41。根據幾何關系,可得下列方程組:

(1)

式中,c為聲速,L為聲傳感器與原點O之間的距離,(x,y,z)為目標聲源P的坐標,R1為聲源與基準聲傳感器S1之間的距離,其表達式為:

(2)

通過計算可得聲源坐標的直角坐標為:

(3)

俯仰角及方位角的表達式為:

(4)

通過分析可知,若已知聲傳感器與原點O之間的距離L以及各個聲傳感器之間的時延差,即可得到聲源P的坐標。

4 軟硬件實現

4.1 硬件

采集到的聲波信號首先送入芯片LM358進行信號放大,接下來送入到芯片LM567中進行鑒頻。LM358內部有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器,有極高的穩定性,聲波信號通過LM358可以增強信號的可識別性。LM567是一個高穩定性的低頻集成鎖相環路解碼器,擁有良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩定度。LM567所鑒定的頻率公式為:f0≈Ct/1.1×(Rt×Ct)Ct,式中Rt為外界定時電阻,Ct為外界定時電容[6]。由公式可知,只需設定好定時電阻與定時電容的值,便可得到所要識別的目標聲波頻率。

若檢測到聲波信號的頻率是LM567芯片設定的目標頻率,說明該聲波信號是目標聲源發出的,便可輸出一個低電平信號觸發定時器中斷,進行后續的時間計時、計算定位。聲波獲取及鑒頻部分電路設計如圖4所示。

圖4 聲波獲取及鑒頻部分電路設計圖

51單片機通過接收鑒頻輸出口的低電平觸發定時器中斷,進而計算出4個聲傳感器之間的時間差,為之后目標聲源的三維直角坐標計算打下基礎。51單片機電路連接如圖5所示,其中單片機最小系統由電源、晶振以及復位電路3部分組成。4個鑒頻輸出口連接在P3.0,P3.1,P3.2以及P3.3,LCD1602顯示模塊連接在P0端口以及P2.7,P2.6和P2.5。

圖5 51單片機連接圖

STC89C52連接4個運放鑒頻電路,4個聲傳感器采取平面四元十字陣列排放,當接收到第1個運放鑒頻電路有低電平信號輸出時,便開始計時。當其余3個運放鑒頻電路也分別接收到目的信號并觸發中斷時,便得到了3個計時時間,也就是3個相對時延。之后利用TDOA算法和平面四元十字陣列結合的結論,得到聲源確切位置。定位系統通過LCD1602液晶屏將聲源三維坐標顯示在屏幕上,本文所設計的聲源定位裝置如圖6所示。

圖6 聲源定位裝置

4.2 軟件

51單片機持續檢測4個聲傳感器所連接引腳的電平值,當有1個聲傳感器接收到外界特定頻率的聲波時,便會輸出一個低電平。51單片機檢測到低電平時,便會觸發定時器中斷,進而將4個聲傳感器之間的時間差記錄在一個數組中,并計算目標聲源三維坐標,程序流程圖如圖7所示。聲傳感器之間的時間差所產生的誤差對于目標聲源坐標的計算有極大的影響,為了進一步提高準確性,對于程序代碼的精簡有著更高的要求。采用C51語言所編寫的程序更接近硬件底層,因此在計算時間差上具有一定的優勢。

圖7 程序運行流程圖

5 系統性能分析

駐極體式傳感器接收外界聲波信號,將聲信號轉化為電信號,并將電信號傳遞給LM358雙運算放大器進行信號放大,提高可辨識度。經過放大后的電信號送入LM567鎖相環路中,LM567通過改變定時電阻的電阻值與定時電容的電容值來設置所要定位聲波的頻率,通過比對放大后電信號的頻率是否與預設頻率一致來選擇是否輸出低電平給51單片機。若預設頻率值與放大后電信號的頻率不一致,則繼續監聽;若預設頻率值與放大后電信號的頻率一致,則輸出低電平傳遞給51單片機。51單片機接收到低電平后便觸發定時器中斷,并計算出4個聲傳感器之間的時間差,進而得出目標聲源的三維直角坐標。

對于定位結果的模擬可通過Proteus軟件實現,而對于實際定位的結果則是通過具體聲源對于該聲源定位設備的測試,并將結果顯示在LCD1602液晶屏幕上(如圖8所示)。

圖8 LCD1602顯示聲源坐標

5.1 定位準確性評價

對于聲源定位設備的誤差分析,是根據實際聲源的位置坐標與LCD1602液晶顯示屏上所顯示的位置坐標進行比對,通過多次測量取平均值并畫出誤差曲線。在確定聲波強度一定的情況下,采用按鍵控制蜂鳴器輸出PWM波,實現固定頻率的聲波輸出,通過測試,系統在安靜環境情況下的定位性能與嘈雜環境情況下的定位性能如圖9所示。

圖9 誤差分析

由圖9可以看出,聲源定位系統的誤差約為2%～7%。在相同聲源距離的情況下,嘈雜環境下的定位誤差大于安靜環境下的定位誤差,說明環境噪聲會對設備的定位性能造成一定的影響。若環境噪聲中具有所要識別的頻率聲波且強度較大,則設備的定位性能將大大減弱。在安靜環境下,誤差的產生主要由以下幾點所致:(1)電路結構采用面包板連接方式,該連接方式會給電路連接帶來一些便捷,但會導致電路不穩定,進而產生誤差;(2)單片機采用的代碼是以C51語言所編寫,相較于匯編語言的高效與高速,C51語言代碼的冗余會使得時延差的計算出現誤差,進而導致定位坐標結果產生偏差;(3)測量實際聲源的位置時,存在因為測量工具或測量手法所產生的儀器誤差與操作誤差。

進一步分析誤差產生的原因可知,通過改變電路連接方式,例如采用PCB板焊接的方式即可避免大部分誤差。對于程序代碼冗余的問題,則可以通過精簡代碼、優化代碼等方式解決。而對于儀器誤差與操作誤差,則可以通過多次測量并取平均值的方法來修正。

5.2 抗干擾性能評價

該系統控制器核心采用51單片機,當有噪聲疊加在駐極體式傳感器上時,會導致較大的測量誤差。由于這些噪聲的隨機性,該系統通過鎖相環路濾波技術剔除虛假信號,獲得真正的聲波信息。鎖相環路的中心頻率確定之后,可以濾除大部分噪聲干擾,其抗干擾的特點為:外界噪聲中無目標頻率聲波時,定位效果極佳;外界噪聲為高斯白噪聲時,定位效果略受干擾;外界噪聲中充斥大量目標頻率聲波時,定位效果較差。該設備適用于特定環境下,如機械運行故障發出特定頻率聲波的情況。通過試驗仿真及設備測試,當外加干擾強度不過大時,抗干擾能力良好,靈敏度也較高。

6 結束語

本文提出了一種易于實現、較為簡易的聲源定位系統方案。通過駐極體式傳感器對外界聲波進行接收,并通過LM358運算放大器對所接收的聲波信號進行放大,同時通過LM567鎖相環路的鑒頻,實現對聲波頻率的鑒定。利用單片機的中斷程序,結合TDOA算法,實現了目標聲源的定位。該聲源定位系統的主要創新點是采用了非數字信號處理的方式,借助于鎖相環路的固有屬性實現了對固定頻率聲波的定位。后續,團隊基于該系統研究聲源定位改進方案,通過對接收到的聲波信號進行信號分析,結合梅爾倒譜濾波器及神經網絡算法,實現對特定音色聲波的定位。