瓷砖检测机器人的声音信号处理

张旭超 孙传斌 秦庆旭

摘  要：本系统包括：声音预处理部分、AD转换芯片、单片机芯片以及显示和按键部分。系统先采集敲击不同空鼓状态瓷砖时发出的声音并得到特征参数，同时输入该声音所对应的空鼓范围，利用麦克风采集声音，将采集的数据经放大、滤波后，AD转换芯片对其进行数模转换，这就完成了预处理。而后将预处理后的声音数据存储在单片机中，单片机接收到AD芯片转换的数据后，与子程序所提取的声音信号特征参数进行比较，与之前建立的模板进行匹配并完成识别，最后将识别结果的数据传输给显示模块进行结果显示。

关键词：声音信号;特征提取;单片机系统;特征频率

中图分类号：TN912        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0029-02

Abstract： The system includes： sound preprocessing part， AD conversion chip， single-chip microcomputer chip and display and key part. The system first collects the sound produced when striking the ceramic tiles of different empty drum states and obtains the characteristic parameters， at the same time， inputs the corresponding range of the empty drum， collects the sound with the microphone， amplifies and filters the collected data， and carries on the digital-to-analog conversion to it by the AD conversion chip， which completes the preprocessing. Then the preprocessed sound data is stored in the single-chip microcomputer. After receiving the data converted by the AD chip， the single-chip microcomputer compares the characteristic parameters of the sound signal extracted by the subroutine， matches with the previously established template and completes the recognition. Finally， the data of the recognition result is transmitted to the display module to display the results.

Keywords： sound signal; feature extraction; single chip microcomputer system; feature frequency

1 聲音识别的特征参数

在对声音信号进行特征提取时，特征参数需要满足：

（1）参数之间的独立性较为显著;

（2）声音的本质能够有效的反映出来，区分性良好;

（3）特征参数和特征参量的获取较为简单，能够实时实现各种声音的识别。

2 巡检机器人的声音识别算法

对于时域离散信号（或序列）x（n），可用序列的傅里叶变换来表示其频域信号X（ejw）。

为时域离散信号x（n）的傅里叶变换，式中FT是傅里叶变换的缩写。

3 预处理过程

采集到的声音未经处理之前是模拟信号，而且存在不同杂音的干扰。所以在解析处理声音信号前，要放大声音信号，对声音信号进行滤波、模数转换等一系列操作，即信号的预处理。

4 声音的采集放大模块

机器人在运行时要考虑到存在多种外界干扰声音，故而我们使用麦克风来采集外界声音，减法器在后面用来滤除外界干扰，得到机器人敲击瓷砖时发出的声音。

5 声音信号的滤波

声音信号的滤波，就是在信号分析处理中使用某种技术去除某些多余分量的过程。通俗来讲，就是滤除声音信号中无用的、对有用的信号产生了干扰、混叠的分量，只剩下有用分量，这一过程也可称为去干扰或者去噪。一般在对声音信号分析之前会先对信号进行滤波处理，为了有效增加信号处理的精度，更可靠的处理信号，设计有效可靠的滤波器就显得尤为重要。由于各个频率段滤除的频率不同，信号滤波技术可被划分为带通和带阻滤波、低通滤波、高通滤波。电子设置使通过有用的频率信号，而同时抑制无用的频率信号就是所谓的滤波电路。在工程上常常会使用滤波电路对声音信号进行数据传送、信号处理和抑制干扰等。

20Hz-20kHz是一般声音信号的频率范围，模数转换前需要的预滤波器一般有两个：低通滤波器和高通滤波器。其中“经过全桥整流”，显然是要得到直流电压。用二阶低通滤波器处理声音信号的目的是滤去杂音的声波，从而使得到的直流电压更理想和平直。

二阶低通滤波电路通过使输出电压下降的速率在高频段更快，从而使滤波效果得到更好的改善，所以设计中采用二阶低通滤波器作为实际中用来处理信号的低通滤波器。

AD转换器是保证模拟信号源和数字信号源能够联系中间器件，它能将模拟信号在持续变化的情况下转变为数字信号，便于计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。

本文所包含的主要内容有：（1）在学校图书馆以及各

大网站搜集相关资料，基本学习并了解了有关声音检测技术的基本原理和相关操作。（2）根据实际需求在能够实现目的操作的前提下选择单片机、爬墙车等相关器件，完成组装、编程和调试。（3）根据所设计的电路利用Altium Designer画出相应的原理图和PCB板图。（4）介绍了瓷砖检测机器人的工作环境以及声音信号的处理方法，利用C语言完成了对单片机的控制，使用SPSS处理收集到的数据实现了最小二乘法直线拟合及其仿真分析。

参考文献：

[1]孟影.基于声音信号的监测系统设计[D].安徽大学，2015.

[2]杜世斌.基于音频特征的电气设备故障监测算法研究[D].山东大学，2014.

[3]李晶，孙农亮，滕升华.基于声音识别的设备状态检测算法[J].信息技术，2015（06）：94-98.