EAST是全超導(dǎo)磁約束等離子體放電裝置，大量實驗設(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，其測試數(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，如視覺輔助、超聲測距等。參考文獻(xiàn)[3]中機(jī)器人采用PC平臺進(jìn)行運(yùn)算，使得機(jī)器人載重較大，移動和供電不便。本文綜合各個設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)及實際需求，開發(fā)了一款具備聲源角度、距離定位能力和視覺超聲等導(dǎo)航輔助的機(jī)器人。利用該機(jī)器人可在放電期間對裝置現(xiàn)場進(jìn)行聲音監(jiān)測定位并遠(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)陣列等實現(xiàn)。機(jī)器人采用美麗NI公司的單板機(jī)器人平臺SBRIO-9632實現(xiàn)，該機(jī)器人平臺配有飛思卡爾MPC5200嵌入式處理器， 主頻達(dá)400 MHz， 運(yùn)行實時操作系統(tǒng)VxWorks可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制。另外根據(jù)需要外擴(kuò)移動電源模塊、無線網(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。此時可轉(zhuǎn)動麥克風(fēng)陣列一定角度，重新測量即可。

2.4 TDOA算法的硬件實現(xiàn)
    TDOA算法硬件采用DSP芯片作為計算平臺，數(shù)據(jù)處理程序利用CCS(Code Composer Studio) V3.3開發(fā)。
    首先，多路同步采集要求模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片具有多個采樣保持器，此處選用AD7656芯片，具有6個采樣保持器，且支持級聯(lián)，可實現(xiàn)6×N通道同步采集，最高采樣率250 kS/s。采用2片AD7656級聯(lián)，通過CPLD編址譯碼對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)制的定時器單元實現(xiàn)2個A/D共用的起始轉(zhuǎn)換信號ADCON，時鐘抖動會降低信噪比，可通過合理的設(shè)置定時中斷T1PINT的值達(dá)到系統(tǒng)精度的要求。設(shè)置片選信號ADCS0和ADCS1均有效。AD7656芯片輸出數(shù)據(jù)為16位無符號整型格式,麥克風(fēng)輸出的直流偏置電壓會掩蓋聲音小信號， 所以數(shù)據(jù)處理必須去掉直流偏置電壓。另外噪聲會污染信號的頻譜，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，時間分辨率可達(dá)6.67 ?滋s，對應(yīng)距離分辨率0.23 cm。通過串口與機(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)的選取都可對定位精度產(chǎn)生不同程度的影響。
2.5 實驗室測試
    在實驗室搭建簡單環(huán)境進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

3 機(jī)器人單元
    利用SBRIO-9632平臺開發(fā)了遠(yuǎn)程控制、超聲測距避障及圖像采集等功能。SBRIO開發(fā)平臺配有Xilinx Spartan3 FPGA實現(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)嵌實時操作系統(tǒng)VxWorks實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；另有 LabVIEW Robotics配套開發(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,測量前方±90°、范圍2~300 cm的障礙物距離;以無線路由實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，IP攝像頭采集現(xiàn)場圖像,硬件組成如圖3所示。

    超聲傳感器數(shù)據(jù)實時顯示,實測誤差小于3 cm，可以輔助對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動控制。運(yùn)動速度范圍為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)讀寫模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角，超聲讀寫模塊獲取超聲傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行避障測距算法。通過網(wǎng)頁客戶端集成實現(xiàn)了對攝像頭方向控制和實時顯示等功能，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。
    仿真和實際測試表明，該聲音定位系統(tǒng)定位能力良好，實現(xiàn)了通過遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對聲源進(jìn)行實時定位跟蹤。目前多聲源環(huán)境下對聲源的定位問題是研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)，時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現(xiàn)方法將是下一步研究的重點(diǎn)。
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