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Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi- Pyrénées 7 Février 2008

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Page 1: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile

Jérôme ManhesLAAS/CNRS

11ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées

7 Février 2008

Page 2: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

1. Applications & contraintes

2. Principes

3. La chaine d’acquisition

4. La structure interne du FPGA

Plan

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1. Applications & contraintes

2. Principes

3. La chaine d’acquisition

4. La structure interne du FPGA

Plan

Page 4: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Les contraintes de la robotique Capteur embarqué, Mesures “temps réel”, Source sonore large bande (300 Hz – 3 kHz), Distance à la source quelconque (1m - ∞), Environnement bruité.

Applications Interaction Homme / Robot, Suivi Visio-Auditif, Reconnaissance vocale.

Applications & contraintes

Page 5: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Capteur embarqué, Mesures “temps réel”, Source sonore large bande (300 Hz – 3 kHz), Distance à la source quelconque (1m - ∞), Environnement bruité.

Les contraintes de la robotique

Applications Interaction Homme / Robot, Suivi Visio-Auditif, Reconnaissance vocale.

Applications & contraintes

Page 6: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

1. Applications & contraintes

2. Principes

3. La chaine d’acquisition

4. La structure interne du FPGA

Plan

Page 7: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Principes : le « Beamforming »

++

91 Beamformers

+

En français: « Formation de voie »,

Filtrage spatial de l’information acoustique.

Beamforming ? Carte d’énergie

Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

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Principes : le « Beamforming »

++

91 Beamformers

+

En français: « Formation de voie »,

Filtrage spatial de l’information acoustique.

Beamforming ? Carte d’énergie

Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

Page 9: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Principes : le « Beamforming »

++

91 Beamformers

+

En français: « Formation de voie »,

Filtrage spatial de l’information acoustique.

Beamforming ? Carte d’énergie

Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

Page 10: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

1. Applications & contraintes

2. Principes

3. La chaine d’acquisition

4. La structure interne du FPGA

Plan

Page 11: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Bande passante : 300Hz – 3kHz

Paramétrable: Amplification, Filtre passe-bas, Convertisseur

A/N. Liaison USB, Arch. mezzanine, Points de test pour

analyseur logique.

La carte d’acquisition

La chaine d’acquisition (1)

Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric),

Ø ¼’’ – 5cm de long, Sensibilité :

8mV/Pa, Appariement en

phase.

Les microphones Le conditionneur

Pré-amplification (gain de 1,10,100),

Alimentation en courant des microphones,

Alimentation secteur ou 12Vdc.

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Bande passante : 300Hz – 3kHz

Paramétrable: Amplification, Filtre passe-bas, Convertisseur

A/N. Liaison USB, Arch. mezzanine, Points de test pour

analyseur logique.

La carte d’acquisition

La chaine d’acquisition (1)

Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric),

Ø ¼’’ – 5cm de long, Sensibilité :

8mV/Pa, Appariement en

phase.

Les microphones Le conditionneur

Pré-amplification (gain de 1,10,100),

Alimentation en courant des microphones,

Alimentation secteur ou 12Vdc.

Page 13: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

Bande passante : 300Hz – 3kHz

Paramétrable: Amplification, Filtre passe-bas, Convertisseur

A/N. Liaison USB, Arch. mezzanine, Points de test pour

analyseur logique.

La carte d’acquisition

La chaine d’acquisition (1)

Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric),

Ø ¼’’ – 5cm de long, Sensibilité :

8mV/Pa, Appariement en

phase.

Les microphones Le conditionneur

Pré-amplification (gain de 1,10,100),

Alimentation en courant des microphones,

Alimentation secteur ou 12Vdc.

Page 14: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Filtre passe-haut 2 cellules RC en cascade, Fréquence de coupure : 60Hz.

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La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Amplificateur d’instrumentation INA128 de TI, Objectif : ajuster manuellement le gain de façon à

normaliser chaque voie.

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La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Amplificateur à gain programmable PGA2311 de TI, Gain réglable numériquement de -95.5dB à +31.5dB par

pas de 0.5dB, Communication par liaison SPI.

Page 17: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Filtre passe-bas à capacités commutées Max297 de MAXIM, Passe-bas du 8ème ordre elliptique, Fréquence de coupure : 0.1Hz - 50kHz, Fréquence d’horloge = 50 x Fréquence de coupure.

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La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Filtre actif passe-bas Fréquence de coupure : 17kHz, Objectif : éliminer les bruits d’horloge du filtre à

capacités commutées.

Page 19: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

La chaine d’acquisition (2)

Filtre Passe-haut

PGA

Ampli à Gain prog.

Filtre actifPasse-bas

CAN

ConvertisseurAna. / Num.

Ampli d’instrum.

Filtre à capa. Com.

Convertisseur analogique / numérique CS5330A de CIRRUS, Technologie ∑∆ - 18 bits, Fréquence d’échantillonnage : 2kHz – 50kHz.

Page 20: Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile Jérôme Manhes LAAS/CNRS 11 ème Rencontre des Electroniciens de Midi-Pyrénées 7

FPGA de dernière génération: Virtex4 de XILINX, 192 MAC (cœurs DSP), Faible consommation.

Unité de calcul embarquée

PC Traitement hors ligne, Puissance de calcul importante.

La chaine d’acquisition (3)

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FPGA de dernière génération: Virtex4 de XILINX, 192 MAC (cœurs DSP), Faible consommation.

Unité de calcul embarquée

PC Traitement hors ligne, Puissance de calcul importante.

La chaine d’acquisition (3)

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1. Applications & contraintes

2. Principes

3. La chaine d’acquisition

4. La structure interne du FPGA

Plan

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Gen. Filtre Passe Bas

Usb_Rx

Usb_Tx

UsbFifo

Ctrl. Gain Programmable

Ctrl. ConvertisseurAnalog. / Num.

Ctrl. ConvertisseurNum. / Analog.

Gen. de Label

Gen. de Trigger(camera)

Arbitre

Busadresses

Busdonnées

CS,

Rd, W

r, B

usy

FFT / FIR

Conception modulaire en VHDLPossibilité d’intégrer facilement de nouveaux modules comme « Beamforming »

La structure interne du FPGA

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