Проверка работоспособности системы и исследование влияния различных факторов на точность определения координат производились в лабораторных условиях. Тестовый экземпляр прибора способен определять координаты точечного источника звука на плоскости.
В состав тестовой установки входят:
1. Источник питания ±12 В (ИП)
2. Система первичной обработки данных (СПОД)
3. Восемь микрофонов (МК1 - МК8)
4. Размеченная координатная плоскость 100 x 100см (КП)
5. Персональный компьютер (ПК)
6. Соединительные кабели
7. Источник звука (ИЗ)
Центральное место во всей системе занимает система первичной обработки данных (СПОД). Этот блок с помощью микроконтроллера занимается непрерывным опросом сигналов со всех микрофонов, отслеживает момент срабатывания, в результате чего вычисляются промежуточные результаты, которые сразу же пересылаются в ПК для дальнейшей обработки. В свою очередь ПК с помощью специальной программы на основе полученных результатов произведет расчеты координат местоположения источника звука.
В качестве приемников звука нами использовались восемь однотипных микрофонов типа МКЭ-3, которые располагаются на координатной плоскости.
Измерения производились в следующем порядке:
1. Микрофоны размещаются на КП и фиксируются их координаты.
2. ИЗ размещается на КП и его координаты фиксируются (эти координаты сравниваются с вычисленными).
3. СПОД переводится в режим измерения.
4. ИЗ подает через паузу 10 импульсных звуковых сигналов.
5. СПОД отключается.
6. Производится вычисление координат ИЗ компьютером и сопоставляется с фактическим размещением ИЗ.
Исследовалась зависимость точности определения координат от количества задействованных микрофонов (5МК, 6 МК, 7 МК, 8 МК), их взаимного расположения и условий измерения:
- ИЗ находится в случайном месте (опыт №1, 2);
- ИЗ и два микрофона находятся на одной прямой (опыт №3, 4);
- ИЗ находится на равном расстоянии от двух микрофонов (опыт №5, 6);
В таблице 1 приведены некоторые образцы полученных экспериментальных данных. В последнем столбце указана абсолютная погрешность для случая с включением всех восьми микрофонов, погрешность указана для каждой из координат.
Таблица 1. Результаты определения координат источника звука.
№ опыта | Координаты в см | Погрешность определения координат, см | |||
ИЗ, см | 6 МК, см | 7 МК, см | 8МК, см | ||
(50; 48) | (54; 50) | (57; 48) | (55; 48) | 5, 0 | |
(30; 20) | (31; 23) | (31; 23) | (30; 22) | 0, 2 | |
(30; 40) | (25; 41) | (24; 41) | (26; 39) | 4, 1 | |
(10; 45) | (25; 50) | (14; 49) | (12; 50) | 2, 5 | |
(34; 36) | (31; 41) | (36; 33) | (34; 34) | 0, 2 | |
(31; 50) | (29; 45) | (29; 46) | (29; 46) | 2, 4 |
Основываясь на случайно выбранных результатах, можно сказать, что варианты с 6-ю и 7-ю микрофонами вполне приемлемы, для определения местоположения источника звука с невысокой точность. На этом фоне случай с использованием 8-ми микрофонов смотрится несколько стабильней в плане погрешностей. Если же оценивать все проведенные измерения в целом, то можно сделать похожие выводы с той разницей что, в опытах с 6-ю и 7-ю микрофонами периодически попадаются абсолютно неприемлемые по точности результаты. Замеры приходится повторять заново. С 8-ю микрофонами, как показала практика, такие ситуации возникают значительно реже. Соответственно при измерениях на плоскости разумно использовать не менее 8-ми микрофонов.
Что касается остальных факторов, то их видимое влияние на точность измерений замечено не было.
Заключение
В результате проделанной работы:
- разработан метод, позволяющий определять координаты ИЗ;
- разработана система определения координат
- успешно выполнено компьютерное моделирование процесса определения координат ИЗ;
- реализован пробный экземпляр прибора для двухмерного случая;
- экспериментально подтверждена работоспособность метода и прибора;
- проведены серии опытных измерений, на основе которых были выработаны рекомендации для дальнейшего использования и совершенствования системы.
Проведенные эксперименты показали, что возможность разработки простой системы определения координат источника звука существует. Путем улучшения элементной базы прибора, доработкой схемотехнической и программной части можно улучшить характеристики существующего экспериментального образца и перейти к определению координат реальных объектов в пространстве.
Литература
1. Большая советская энциклопедия [Текст]: в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. - 3-е изд. - М.: Сов. энцикл., 1969-1978. - 30 т.
2. Канатников, А.Н., Крищенко, А.П. Аналитическая геометрия [Текст]: Учеб. для вузов/А.Н Канатников; под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э,Баумана, 2002. – 388с.
3. Аш, Ж. Датчики измерительных систем [Текст]: в 2 т./Ж. Аш; под ред. А.С. Обухова; Пер. с франц. – М.: Мир, 1992. – 480 с.
4. PIC16F877 [Электронный ресурс]: техническая документация для PIC16F877/ Фирма Microchip. - Москва, 2002. – Режим доступа https://www.microchip.ru.