聲音定位系統

2023年15省賽區大學生電子設計ti杯競賽試題

【本科組】

一、任務

設計一套聲音定位系統。在一塊不大於1m2的平板上貼一張500mm×350mm的座標紙，在其四角外側分別固定安裝乙個聲音接收模組，聲音接收模組通過導線將聲音頻號傳輸到資訊處理模組，聲音定位系統根據聲響模組通過空氣傳播到各聲音接收模組的聲音頻號，判定聲響模組所在的位置座標。系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 聲音定位系統結構示意圖

二、要求

1. 基本要求

(1) 設計製作乙個聲響模組，含訊號產生電路、放大電路和微型揚聲器等，每按鍵一次發聲一次，聲音頻號的基波頻率為500hz左右，聲音持續時間約為1s。要求聲響模組採用3v以下電池供電，功耗不大於200mw。

(2) 設計製作四路聲音接收模組，由麥克風、放大電路等組成，並分別與資訊處理模組相連線，以便將頻率為500hz左右的訊號傳送至資訊處理模組。

(3) 設計製作乙個資訊處理模組，要求該模組能根據從聲音接收模組傳來的訊號判斷聲響模組所在位置的x、y座標，並以數字形式顯示x、y座標值，位置座標值誤差的絕對值不大於30mm。

2. 發揮部分

(1) 改善接收訊號的放大電路效能，改進演算法，進一步提高定位精度。

(2) 控制聲響模組以不間斷的連續週期波的形式發出聲音頻號，其基波頻率為500hz左右。當聲響模組在座標紙上移動時，聲音定位系統能連續跟蹤顯示聲響模組的x、y座標值，隨機停止聲響模組的移動，能立即穩定地顯示聲響模組的x、y座標值，誤差的絕對值不大於10mm。

(3) 具有顯示聲響模組移動軌跡的功能。當聲響模組在座標紙上按指定路徑移動時，液晶顯示屏能動態顯示聲響模組移動的軌跡，顯示的軌跡與聲響模組移動的路徑一致。

(4) 其它。

三、說明

1. 注意預留測量聲響模組功耗的電流電壓和訊號放大電路輸出訊號的測試點。

2. 採用三個聲音接收模組即可實現定位，第四個模組可對定位作進一步校正。

3. 不允許聲響模組與其他電路有任何連線，並要求在聲響模組上做出明顯標記，以便清晰判讀模組所在座標數值。

4. 聲響模組移動軌跡的顯示要求採用解析度不低於128×64的液晶顯示屏。

5. 注意聲音通過其它傳播介質帶來的影響。

四、評分標準

聲音定位的一種常用的方法(時間差法): 通過測量聲音頻號到達兩個不同錨節點(聲音接收模組)的時間差來計算未知節點(聲響模組)位置。原理如圖下：

其中,r12表示未知節點到達錨節點1的距離與未知節點到達錨節點2的距離差, r23表示未知節點到達錨節點2的距離與未知節點到達錨節點3的距離差,三個錨節點的座標與未知節點座標分別為:

錨節點1:(x1,y1)

錨節點2:(x2,y2)

錨節點3:(x3,y3)

未知節點座標:(x,y)

未知節點到達錨節點的時間為t1、t2和t3,則未知節點與錨節點的距離差分別為:

r12=r1-r2=c*t1-c*t2=c(t1- t2)

r23=r2-r3=c*t2-c*t3=c(t2- t3)

上式中c為聲音在空氣中的傳播速度，一般為340m/s.

由此可以建立雙曲線方程組,如公式如下所示：

通過數學的方法求解雙曲線方程組可以得到未知節點的置。

本系統中如何得到r12 , r23?

聲音速度已知，知道聲音到達各節點的時間差就可以得到相應的距離差，從而得到方程組求解！

利用msp430如何實現測量時間差δt1=t1- t2, δt1=t2- t3？

發聲及接受模組訊號時序圖：

計算顯示