Sipeed 麦克风阵列获取声源角度

在官方文档中，MicroPython 例程代码如下：

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from Maix import MIC_ARRAY as mic
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import lcd
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lcd.init()
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mic.init()                          # 默认配置
6
# mic.init(i2s_d0=23, i2s_d1=22, i2s_d2=21, i2s_d3=20, i2s_ws=19, i2s_sclk=18, sk9822_dat=24, sk9822_clk=25)       # 可自定义配置 IO
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while True:
9
    imga = mic.get_map()            # 获取声音源分布图像
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    b = mic.get_dir(imga)           # 计算、获取声源方向
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    a = mic.set_led(b,(0,0,255))    # 配置 RGB LED 颜色值
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    imgb = imga.resize(160,160)
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    imgc = imgb.to_rainbow(1)       # 将图像转换为彩虹图像
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    a = lcd.display(imgc)
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mic.deinit()

上述代码能够实现检测声源位置，输出声源彩虹图像，并点亮麦克风阵列上相应的 LED 灯

但是，代码中并没有明确输出声源的位置信息，这就导致了我们无法直接获取到声源的角度、距离等信息，从而无法实现某些功能

通过观察与调试，我们不难发现，mic.get_dir(imga) 获取到的数据是一组元组数据，其包括十二个元素。当麦克风阵列接收到声音时，其在控制台的输出近似如下的数据：

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(0, 0, 0, 5, 8, 6, 0, 0, 0, 0, 0, 0)

我们可以初步判断，这组元组数据表示的应该是 12 个 LED 方向上的声音强度

聪明的你马上就想到了，我们可以根据这组数据获取声源角度

我们知道，麦克风阵列上有 12 个 LED ，如果以丝印正位方向为正位，那么它们代表的角度分别是 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180° 210° 240° 270° 300° 330°。据此，我们便可以通过计算十二个方向的矢量和来估算声源的角度：

1
import math
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def get_sound_angle(energy_data):
4
    if not energy_data or sum(energy_data) == 0:
5
        return None  # 返回None表示无效数据
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    # 矢量求和法
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    x_sum = 0.0
9
    y_sum = 0.0
10

11
    for i in range(12):
12
        angle_rad = math.radians(i * 30)
13
        # 对能量值进行平方增强主声源权重
14
        weighted_energy = energy_data[i] ** 2
15
        x_sum += weighted_energy * math.cos(angle_rad)
16
        y_sum += weighted_energy * math.sin(angle_rad)
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18
    # 计算角度
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    angle = math.degrees(math.atan2(y_sum, x_sum))
20

21
    # 转换为 -180 ~ 180 范围
22
    if angle > 180:
23
        angle -= 360
24
    elif angle < -180:
25
        angle += 360
26

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    return int(angle)

将例程中的 b = mic.get_dir(imga) 作为参数传递给该函数，便可以得到声源角度了。

我的任务是使用 K210 Maix Dock 搭配 Sipeed 麦克风阵列获取声源角度，控制舵机将激光照射在声源处。以下是我的程序源码：

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from Maix import MIC_ARRAY as mic
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from machine import Timer, PWM
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import math
4
import time
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# 全局变量
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tim = None
8
pwm = None
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angle_buffer = []           # 角度数据缓冲区
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FILTER_WINDOW = 15          # 滤波窗口大小
11
SERVO_SMOOTH_FACTOR = 0.2   # 舵机运动平滑因子
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def init():
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    global pwm, tim
15
    tim = Timer(Timer.TIMER0, Timer.CHANNEL0, mode=Timer.MODE_PWM)
16
    pwm = PWM(tim, freq=50, duty=7.5, pin=0)  # 初始中间位置
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    mic.init(i2s_d0=23, i2s_d1=22, i2s_d2=21, i2s_d3=20,
18
    i2s_ws=19, i2s_sclk=18, sk9822_clk=25, sk9822_dat=24)
19

20
def get_sound_angle(energy_data):
21
    if not energy_data or sum(energy_data) == 0:
22
    return None  # 返回 None 表示无效数据
23

24
    # 矢量求和法
25
    x_sum = 0.0
26
    y_sum = 0.0
27

28
    for i in range(12):
29
        angle_rad = math.radians(i * 30)
30
        # 对能量值进行平方增强主声源权重
31
        weighted_energy = energy_data[i] ** 2
32
        x_sum += weighted_energy * math.cos(angle_rad)
33
        y_sum += weighted_energy * math.sin(angle_rad)
34

35
    # 计算角度
36
    angle = math.degrees(math.atan2(y_sum, x_sum))
37

38
    # 转换为 -180 ~ 180 范围
39
    if angle > 180:
40
        angle -= 360
41
    elif angle < -180:
42
        angle += 360
43

44
    return int(angle)
45

46
def apply_filters(raw_angle):
47
global angle_buffer
48

49
    # 无效数据跳过
50
    if raw_angle is None:
51
        return None
52

53
    # 更新数据缓冲区
54
    angle_buffer.append(raw_angle)
55
    if len(angle_buffer) > FILTER_WINDOW:
56
        angle_buffer.pop(0)
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58
    # 中值滤波
59
    sorted_angles = sorted(angle_buffer)
60
    median_angle = sorted_angles[len(sorted_angles) // 2]
61

62
    # 移动平均滤波
63
    avg_angle = sum(angle_buffer) / len(angle_buffer)
64

65
    # 加权组合滤波结果
66
    filtered_angle = 0.6 * median_angle + 0.4 * avg_angle
67

68
    # 角度连续性处理
69
    if filtered_angle > 180:
70
        filtered_angle -= 360
71
    elif filtered_angle < -180:
72
        filtered_angle += 360
73

74
    return int(filtered_angle)
75

76
def convert_angle(angle):
77
    """将声源角度映射到舵机控制信号
78
    参数: angle - 声源角度(-180~180度)
79
    返回: (有效角度, duty_val)
80
    """
81
    # 将角度转换为 0 ~ 360 范围用于计算
82
    angle_360 = angle % 360
83
    if angle_360 < 0:
84
        angle_360 += 360
85

86
    # 检查角度是否在有效范围内
87
    if 90 < angle_360 < 270:
88
        return False, None  # 无效角度
89

90
    # 映射角度到舵机控制信号:
91
    # - 90° -> duty 2.5 (右边)
92
    # - 0° -> duty 7.5 (正前方)
93
    # - -90°/270° -> duty 12.5 (左边)
94

95
    # 线性映射到duty值
96
    # 角度范围: -90° 到 90° 映射到 duty 12.5 到 2.5
97
    duty_val = 7.5 - (angle / 18.0)
98

99
    # 确保 duty 值在有效范围内
100
    duty_val = max(2.5, min(12.5, duty_val))
101
    return True, duty_val
102

103
def main():
104
    global angle_buffer
105
    last_valid_duty = 7.5   # 最后有效的 duty 值
106

107
    try:
108
        # 初始化角度缓冲区
109
        print("初始化角度缓冲区...")
110
        for i in range(FILTER_WINDOW):
111
            imga = mic.get_map()
112
            energy_data = mic.get_dir(imga)
113
            raw_angle = get_sound_angle(energy_data)
114
            angle_buffer.append(raw_angle if raw_angle is not None else 0)
115
            print("填充缓冲区 %d/%d" % (i+1, FILTER_WINDOW))
116
            time.sleep_ms(50)
117

118
        print("开始主循环...")
119
        while True:
120
            start_time = time.ticks_ms()
121

122
            # 获取原始数据
123
            imga = mic.get_map()
124
            energy_data = mic.get_dir(imga)
125
            mic.set_led(energy_data, (0, 0, 255))
126

127
            # 计算原始角度
128
            raw_angle = get_sound_angle(energy_data)
129

130
            # 应用多级滤波
131
            filtered_angle = apply_filters(raw_angle)
132

133
            # 如果本次数据无效，使用上次滤波结果
134
            if filtered_angle is None:
135
                filtered_angle = angle_buffer[-1] if angle_buffer else 0
136

137
            raw_str = str(raw_angle) if raw_angle is not None else "--"
138
            info = "原始角度: %s°  ->  滤波角度: %d°" % (raw_str, filtered_angle)
139
            info += "\n能量数据: " + str(energy_data)
140
            print(info)
141
            print("-" * 30)
142

143
            # 转换角度到舵机控制信号
144
            is_valid, duty_val = convert_angle(filtered_angle)
145

146
            if is_valid:
147
                # 有效角度，使用平滑处理
148
                target_duty = duty_val
149
                # 平滑处理：混合上次的 duty 值和本次的目标值
150
                smoothed_duty = last_valid_duty * (1 - SERVO_SMOOTH_FACTOR) + target_duty * SERVO_SMOOTH_FACTOR
151
                last_valid_duty = smoothed_duty
152
                duty_val = smoothed_duty
153
                print("有效角度，duty_val:", duty_val)
154
            else:
155
                # 无效角度范围，保持上次的有效 duty 值
156
                duty_val = last_valid_duty
157
                print("角度 %d° 在无效范围，保持上次duty值: %.2f" % (filtered_angle, duty_val))
158

159
            pwm.duty(duty_val)
160

161
            loop_time = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), start_time)
162
            delay_time = max(10, 100 - loop_time)
163
            time.sleep_ms(delay_time)
164

165
    except KeyboardInterrupt:
166
        print("用户退出")
167
    finally:
168
        mic.deinit()
169
        pwm.duty(7.5)           # 回到中间位置
170
        print("资源已释放")
171

172
if __name__ == "__main__":
173
    init()
174
    main()

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