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【6h】

用于救援机器人的语音定位系统设计与实现

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摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 定位技术发展概况

1.3 课题研究背景和意义

1.3.1 课题背景

1.3.2 课题意义

1.4 本文的主要工作内容与章节安排

2 系统总体设计

2.1 系统定位原理和总体结构

2.2 硬件总体架构分析与设计

2.3 核心器件的参数计算与选型

2.3.1 主控芯片

2.3.2 麦克风

2.3.3 放大芯片

2.3.4 AD芯片

2.3.5 存储器

2.3.6 显示模块

2.4 本章小结

3 系统硬件设计

3.1 麦克风阵列设计

3.2 电路板电源设计

3.2.1 供电需求分析

3.2.2 +/-12V电源部分

3.2.3 +5V电源部分

3.2.4 +3.3V+1.2V电源部分

3.2.5 +1.9V电源部分

3.3 主控芯片的硬件配置设计

3.3.1 复位电路

3.3.2 晶振电路

3.3.3 JTAG接口电路

3.3.4 设备配置和跳线电路

3.3.5 PLL配置电压电路

3.4 麦克风电路设计

3.5 放大电路设计

3.6 采集电路设计

3.7 显示屏接口电路设计

3.8 上位机接口电路设计

3.9 外扩存储器电路设计

3.9.1 外扩DRAM

3.9.2 外扩FLASH

3.9.3 外扩SRAM

3.10 PCB设计与电磁兼容

3.11 本章小结

4 定位算法研究与设计

4.1 可控波束定位算法

4.2 基于时延估计的几何定位算法

4.3 估计时延的方法

4.3.1 传统时延估计方法

4.3.2 互功率谱相位的时延估计方法及其改进

4.3.3 基于建立信号和互功率谱相位的时延估计方法

4.4 本章小结

5 软件设计

5.1 软件框架设计

5.2 DSP的初始化

5.2.1 CMD文件配置

5.2.2 GEL文件配置

5.2.3 锁相环初始化设置

5.3 通用输入输出口驱动

5.4 模数采集模块驱动

5.5 高速数据传输驱动

5.6 外扩存储器驱动

5.6.1 同步动态存储器驱动

5.6.2 闪存驱动

5.6.3 同步静态存储器驱动

5.7 显示屏驱动和功能界面

5.7.1 显示屏驱动

5.7.2 触摸屏界面功能需求分析和实现

5.8 定时器驱动

5.9 本章小结

6 系统测试及调试

6.1 电源测试

6.2 麦克风和放大电路测试

6.3 通用输入输出口测试

6.4 数据采集电路测试

6.5 显示屏电路测试

6.6 定时器中断测试

6.7 串口通信测试

6.8 外扩存储器测试

6.8.1 同步存储器测试

6.8.2 闪存测试

6.9 高速数据传输测试

6.10 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录A

附录B

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摘要

地质灾害频繁发生给人们的生命安全带来了极大的挑战,应对灾害的救援工作就显得尤为重要。本文将基于麦克风阵列的语音定位技术应用于救援领域,开发出应用于救援机器人的语音定位系统。本文的主要工作有:
   根据阵列定位的主要流程和原理,紧密结合救援的实际使用环境特点,通过详细计算与论证,进行了定位系统硬件电路的总体方案设计,最终采用了以麦克风阵列为传感器以高性能嵌入式数字信号处理器为核心的控制系统设计方案。
   采用模块化设计,将硬件部分划分为七个子模块单元:麦克风阵列、信号预处理单元、数据采集单元、数据处理单元、显示单元、数据存储单元和上位机接口单元。逐一对每个模块进行了功能需求分析和详细的硬件电路设计。结合救援的使用环境对定位系统的关键部件给以理论上的分析和数值计算。在硬件电路实现过程中,考虑到板级速度问题带来的信号完整性和硬件设计的合理性,对电路板进行了精心的布局和布线,使之满足一定的电磁兼容性要求。
   在声音定位算法方面,分别对可控波束定位理论与基于时延的定位理论进行了介绍和分析,详细介绍了估计时延的方法及其改进。在此基础上开发了基于麦克风阵列的声音定位系统的软件部分。
   按照采集和处理独立进行并交替执行以保证实时性的设计思想,设计了定位系统的软件系统框架,对框架进行了功能上的分解和划分,针对框架中涉及到的模块逐一给予了功能需求分析,分别设计了通用输入输出口模块驱动、模数采集模块驱动、高速数据传输驱动、外扩存储器驱动、显示屏驱动和操作界面、上位机接口驱动以及定时器驱动。
   最后,针对每个模块展开详细的测试,给出了测试结果并加以分析,验证了每个模块达到了设计初衷,从而验证了硬件设计的正确性和合理性。

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