2022年TI杯大学生电子设计竞赛-声源定位跟踪系统(论文+源码)

# NUEDC 2022 E - 声源定位跟踪系统 ## 赛题 > 参见： [2022年TI杯大学生电子设计竞赛参考赛题](https://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/zhcn005/zhcn005.pdf) > > 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。 > >  > > **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。 ## 报告 *详细参见[报告.docx](./报告.docx)* ### 一、系统方案设计与论证 #### 1.1 总体方案设计框图  总体方案框图如图 1.1 所示：我们从声源定位的目标出发，分别对声音产生装置和定位跟踪系统进行设计，声音产生装置需考虑频率选择、发声装置选择等方面，定位跟踪系统需要考虑麦克风阵列的摆放、定位算法的选择等方面，为了减小误差，需要在传感器后面设计信号调理级。 #### 1.2 发声器件的选择 **方案一：**蜂鸣器：蜂鸣器通过把压电蜂鸣片通过一定的固定方式装在一定体积的腔体中，产生共鸣，以得到放大的声音。蜂鸣器具有体积小、灵敏度高、耗电省、可靠性好,造价低廉的特点和良好的频率特性。 **方案二**：扬声器：扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，扬声器的性能优劣对音质的影响很大。与蜂鸣器不同的是，扬声器音色丰富；能够发出多种音调。 **方案三**：压电陶瓷片：压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。其优点是造价低廉。 **方案选择**：由于压电陶瓷片只能发出微弱的声音，无法在题目要求的2.5米以上的距离传感器需要接收到信号，因此无法适用。从蜂鸣器和扬声器的结构和原理上比较与分析，扬声器输入的信号为音频信号，是不断变化的交流电，所以在结构上无振荡器；蜂鸣器输入的为直流电，为使其发出声音，在结构上必须配有振荡器（振荡器是一种产生交流信号的电路），将直流电转换为交流电，从而发出声音。因此扬声器可以具有更大的声音强度，同时可以通过自定义发出快速的短脉冲。选用扬声器不仅有利于提高接收信号的信噪比，同时短脉冲可以提升跟踪系统的计算速度，使其在更短的时间内产生响应。 #### 1.3 声源定位跟踪算法的选择 **方案一**：TDOA算法：通过获得各个传感器接收信号的时延差，通过对已知位置的传感器与声源建立坐标系列写方程，求解声源的距离γ和方位角θ。其中各个传感器间的时延差可以直接获得，也可以利用信号与噪声间的不相关性，计算各路信号的互相关函数，其最大值对应的时延差Δt*=argmax(R(Δt))即为各传感器间信号的时延差，示意图如下。  对于三个传感器的情况，可以将方程简化为如下形式：  该方程求解过程较为繁琐，但对于线性麦克风阵列的特殊情况来说，可以利用余弦定理列写方程，获得较为简单的求解过程。 该算法容易实现且运算量小，在求解的过程中无需远场近似，求解方程可以得到精确解。且对传感器数量要求低，最少只需三个传感器平行放置便可求解。但实际环境中很难直接测得传感器接收信号的时刻，而距离r对时延差较为敏感，尤其是对于声源位于较高方位角时，会带来不可忽视的误差，需要通过增加信号调理部分来减小误差。 **方案二**：波束成形法：在基于麦克风阵列的声源定位技术中是加权求和各个阵元输出，得到基阵的输出。确定出声源信号的方位信息则是利用对整个观测空间的波束进行扫描。波束�