如何控制智能小车跑得特别直（如何通过声音控制小车）

小车的“声音导引系统”是运用声音传感器采集移动声源信息，再由单片机计算声音传感器的时间差，从而得出移动声源距离目标地点的误差。

再以蓝牙通信的方式，控制移动声源前往指定位置。

大概是这个效果：

本文将通过五个部分，讲解小车“声音引导系统”的设计原理，分别是——硬件原理分析、多种设计方案的选择与论证、电路设计分析、测试结果、代码展示。

硬件原理分析

小车的声音导引系统由声音接收部分和移动声源控制部分组成，其系统硬件部分有：声源控制模块、声音传感器、误差距离分析模块、移动小车。

1.声音接受部分的原理

声源控制模块能控制声源发出指定频率的间歇声音信号。

图2 系统实际位置关系

ABC三个声音接收器摆放在边长为1m的正方形的三个顶点上。

三个声音传感器将捕获到的波形信息传递给单片机，单片机对声源当前位置进行计算，与设定值进行比较，再以蓝牙通信的方式将运动控制指令传给移动小车。移动小车根据接收到的指令实现前进转弯等运动，并实现对声源的控制。

其中，小车的串口屏用于显示、调试系统的参数……

2.移动声源控制部分的原理

本系统的整体移动声源是将声源放置在移动小车上实现的。

移动小车由9个部分构成，包含——主控TM4C123G、电机驱动车板、亚克力车架、单片机主控板、蓝牙接收器、两个步进电机、声源、声源控制模块。

——其中蓝牙装置接收到运动指令后，由蜂鸣器发出声响，声音传感器再接收信号，传输给单片机主控板和电机驱动板，共同实现电机的运行。

——三个声音传感器模块检测到声音后，经波形整形电路后传输给单片机。单片机两两比较三个通道信号时间差，经过数据拟合，得到各传感器时间差与移动声源位置信息的数学关系，从而准确判断小车的实时位置，从而精确发出指令控制小车的运动状态。

小车在规定时间内到达目标位置后由板载的RGB灯显示绿灯。

设计方案的选择与论证

本章节讲解4个硬件部分的设计思路，包含——单片机的选择、声音传感器的设计、移动声源驱动电机的谁、声源的设计。

为什么这样设计？这样设计有什么好处？这个章节中，你会获得答案！

1.单片机

在本系统中，我们使用了两块单片机，分别控制小车的运动与声音信号的采集。在这之前，我的物料选择方案有3个。

方案一: 采用89C52RC

STC89C52RC是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

方案二: 采用STM32F407ZET6

32系列单片机具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核，且速度快，一次处理数据宽度达32位。

方案三：采用TM4C123GH6PMT7

TM4C123GH6PMT7是具有 80MHz 频率、256KB 闪存、32KB RAM、2 个 CAN、RTC 和 USB、采用 64 引脚 LQFP 封装、基于 Arm Cortex-M4F 的 32 位 MCU。

图4 TM4C123GH6PMT7开发板

综合对比，最后我还是选择了——STM32F407ZET6作为声音误差分析处理器。

因为它能满足高速的误差计算需求。

我还选择TM4C123GH6PMT7作为移动声源主控处理器。

因为其体积小巧、功能丰富而且性价比高。

2.声音传感器

方案一：设计制作一个咪头声音采集电路，如图5所示。将接收到的声音信号转为模拟电信号经过放大后传输给单片机，单片机通过判断模拟电信号的幅值大小来判断声源的位置。

图5 咪头声音采集电路实物图

方案二：设计制作咪头声音采集电路，输出的电信号经过LM386音频放大器放大后，通过LM567鉴频电路筛选声源频率的电信号触发低电平，根据两路输出的下降沿时间差来判断声源位置鉴频电路如图6所示。

图6 LM567鉴频电路实物图

方案三：利用现成的声音检测传感器，当声源音量高于设定阈值时，传感器输出高频数字脉冲。经过波形整形电路将密集脉冲整形为连续方波，通过两个传感器输出的两路上升沿时间差来判断声源的位置，整形电路如图7所示。

图7 波形整形电路实物图

上述三个方案中：

• 方案一无法准确通过传感器输出的模拟电信号幅值来判断声源位置，误差较大。
• 方案二实际制作的电路输出的下降沿抖动明显，不利于软件后期处理，在尝试中放弃了该方案。
• 方案三能精准地获得两路方波信号的上升沿时间差，从而实现较为精确地判断声源位置。

故最终选择方案三。

3.移动声源驱动电机

要求放置时移动声源正对目标线，行走过程中需要保持直线，这就要求驱动系统稳定、精准。

方案一：直流编码电机具有编码器，可以通过单片机的输入捕获获得编码器的数值后通过PID精准控制速度，就可以达到小车直线行走的效果，并且其拥有着更大的轴距，拥有较强的带负载能力。

方案二：步进电机通过脉冲数来控制器转速，在脉冲数相同的情况下，其所转角度也相同，这样在两个电机都给相同的脉冲数情况下，其便可以很简单的走出直线。

上述两种驱动中步进电机有着更好的稳定性，同时能提供足够的输出能力，运行性能和能耗方面也更具有优势。

所以选择方案二。

4.声源

方案一：

采用音频功放和扬声器发声

方案二：

采用高分贝蜂鸣器发声

方案一中的扬声器能够方便调试发出不同音调的声音，但其发声响度有限，且驱动电路复杂，发出的声音无法突破声音传感器的设置阈值。

方案二的高分贝蜂鸣器声音响亮，控制电路简单，功耗低，故选择方案二。

电路设计分析

1.数字脉冲整形电路

本模块采用可重复触发的单稳态触发器74HC123AP数字芯片设计，其功能表如图10所示

图10 74HC123AP数字芯片功能表

声音传感器模块接收到高于设置阈值的声音时，输出低电平。

从示波器实际观测波形，发现其在接收到声音时输出高频的数字脉冲，其标志信息为下降沿。

因此，设计单稳态电路，使其工作在下降沿触发的模式下，故将CLR、B端接高电平，A端与声音传感器模块数字量输出脚相连接。

用示波器再次观测，得到高频数字脉冲相邻两个低电平的时间间隔为1ms左右。

根据暂稳态时间公式T=0.45RC计算出单稳态的电容和滑动变阻器的选值。

本电路选取电容C=1μf，电阻采用5.1kΩ定值电阻 500kΩ滑动变阻器。

图11 74HC123AP单稳态触发器电路

2.声源驱动电路

图12 声源驱动电路

声源驱动电路主要由升压模块和三极管组成。

如图所示，单片机IO口通过拉高拉低电平，使三极管饱和或者截止，从而控制蜂鸣器与电源之间的开通或关断，实现了蜂鸣器间歇性发声。

为使蜂鸣器声音响亮，使用升压模块提升供电电压至24V。

3.单片机拓展板

将TM4C123GH6PMT7的PWM、串口引出，方便连接。接线端子采用Sada konektor XH4 ，使接线更加稳定。

单片机拓展板将5V稳压和3.3V稳压集成，在拓展版上将蜂鸣器模块进行了集成，使线路稳定性更高 。

4.电机驱动板

图13电机驱动板

采用双电机驱动控制两个步进电机，将两个A4988的引脚向外引出方便连接，同时将蓝牙模块集成在驱动板上。

测试结果

1.声源频率调试

声源频率（KHz） 参数	0.5KHz	1KHz	2KHz	3KHz
相邻脉冲时间差（ms）	2～3.45	1.05～1.35	0.47～0.68	0.31～0.35
有效距离（m）	0.8	1.5	1.2	0.6

表1 单稳态触发器波形整形测试

通过改变声源发生频率，观察传感器对其声源的有效接收距离，最终发现声源发生频率为1KHz左右时，传感器有效感应距离最远，故设置蜂鸣器发生频率为1KHz。

2.声源定位调试

传感器标号	A-B	A-C
OX线时间差(μs)	-500～-1500	/
OY线时间差(μs)	/	800～1300

表2 声源定位测试调试

由实际测试得到移动声源在OX、OY两条停止线上传感器之间的时间差，对其进行数据分析，建立控制指令阈值，以实现控制小车运动状态。图14为场地环境情况。

图14场地环境

1. 3.完成度测试

	到达成功率	定位误差
基础部分	85%	1～10cm
发挥部分	85%	1～6cm

表3 在较为嘈杂的条件下测试方案

	到达成功率	定位误差
基础部分	90%	1～8cm
发挥部分	90%	1～5cm

表4 在安静的房间里进行测试

系统在嘈杂的环境容易受到干扰，其定位误差会进一步增大。

可通过改进声音传感器阈值和软件滤波算法，以最大程度减小测试环境对系统产生的影响。

实物图片

图15 移动声源展示

图16 单片机误差计算模块

图17 传感器布置与调试场地

代码展示

图18 声音检测代码

图19 蓝牙握手代码

如果你需要源码进一步学习，请自取，无偿分享的：https://oshwhub.com/kirine/ji-yu-xiao-ju-de-sheng-yin-dao-y

本文资料全部来源：立创开源硬件平台《基于小车的声音导引系统》作者：KirinE

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