Capteur sonore pour la localisation de sources audio en robotique mobile

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

2. Plan • Applications & contraintes • Principes • La chaine d’acquisition • La structure interne du FPGA

3. Plan • Applications & contraintes • Principes • La chaine d’acquisition • La structure interne du FPGA

4. Applications & contraintes Applications • Interaction Homme / Robot, • Suivi Visio-Auditif, • Reconnaissance vocale. 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.

5. Applications & contraintes Applications • Interaction Homme / Robot, • Suivi Visio-Auditif, • Reconnaissance vocale. 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.

6. Plan • Applications & contraintes • Principes • La chaine d’acquisition • La structure interne du FPGA

7. + + + Principes : le « Beamforming » 91 Beamformers Beamforming ? Carte d’énergie • En français: « Formation de voie », • Filtrage spatial de l’information acoustique. • Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

8. + + + Principes : le « Beamforming » 91 Beamformers Beamforming ? Carte d’énergie • En français: « Formation de voie », • Filtrage spatial de l’information acoustique. • Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

9. + + + Principes : le « Beamforming » 91 Beamformers Beamforming ? Carte d’énergie • En français: « Formation de voie », • Filtrage spatial de l’information acoustique. • Estimation de la position par détection du maximum d’énergie.

10. Plan • Applications & contraintes • Principes • La chaine d’acquisition • La structure interne du FPGA

11. La chaine d’acquisition (1) Les microphones Le conditionneur La carte d’acquisition • Bande passante : 300Hz – 3kHz • Paramétrable: • Amplification, • Filtre passe-bas, • Convertisseur A/N. • Liaison USB, • Arch. mezzanine, • Points de test pour analyseur logique. • Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric), • Ø ¼’’ – 5cm de long, • Sensibilité : 8mV/Pa, • Appariement en phase. • Pré-amplification (gain de 1,10,100), • Alimentation en courant des microphones, • Alimentation secteur ou 12Vdc.

12. La chaine d’acquisition (1) Les microphones Le conditionneur La carte d’acquisition • Bande passante : 300Hz – 3kHz • Paramétrable: • Amplification, • Filtre passe-bas, • Convertisseur A/N. • Liaison USB, • Arch. mezzanine, • Points de test pour analyseur logique. • Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric), • Ø ¼’’ – 5cm de long, • Sensibilité : 8mV/Pa, • Appariement en phase. • Pré-amplification (gain de 1,10,100), • Alimentation en courant des microphones, • Alimentation secteur ou 12Vdc.

13. La chaine d’acquisition (1) Les microphones Le conditionneur La carte d’acquisition • Bande passante : 300Hz – 3kHz • Paramétrable: • Amplification, • Filtre passe-bas, • Convertisseur A/N. • Liaison USB, • Arch. mezzanine, • Points de test pour analyseur logique. • Technologie IEPE (Integrated Electronic Piezo Electric), • Ø ¼’’ – 5cm de long, • Sensibilité : 8mV/Pa, • Appariement en phase. • Pré-amplification (gain de 1,10,100), • Alimentation en courant des microphones, • Alimentation secteur ou 12Vdc.

14. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) Filtre passe-haut • 2 cellules RC en cascade, • Fréquence de coupure : 60Hz.

15. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) Amplificateur d’instrumentation • INA128 de TI, • Objectif : ajuster manuellement le gain de façon à normaliser chaque voie.

16. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) 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.

17. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) 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.

18. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) Filtre actif passe-bas • Fréquence de coupure : 17kHz, • Objectif : éliminer les bruits d’horloge du filtre à capacités commutées.

19. PGA CAN Filtre Passe-haut Ampli à Gain prog. Filtre actif Passe-bas Filtre à capa. Com. Convertisseur Ana. / Num. Ampli d’instrum. La chaine d’acquisition (2) Convertisseur analogique / numérique • CS5330A de CIRRUS, • Technologie ∑∆ - 18 bits, • Fréquence d’échantillonnage : 2kHz – 50kHz.

20. La chaine d’acquisition (3) PC • Traitement hors ligne, • Puissance de calcul importante. Unité de calcul embarquée • FPGA de dernière génération: • Virtex4 de XILINX, • 192 MAC (cœurs DSP), • Faible consommation.

21. La chaine d’acquisition (3) PC • Traitement hors ligne, • Puissance de calcul importante. Unité de calcul embarquée • FPGA de dernière génération: • Virtex4 de XILINX, • 192 MAC (cœurs DSP), • Faible consommation.

22. Plan • Applications & contraintes • Principes • La chaine d’acquisition • La structure interne du FPGA

23. Usb_Rx Usb Fifo Usb_Tx La structure interne du FPGA Bus données Bus adresses Arbitre Gen. Filtre Passe Bas Ctrl. Gain Programmable FFT / FIR Ctrl. Convertisseur Analog. / Num. Ctrl. Convertisseur Num. / Analog. • Conception modulaire en VHDL • Possibilité d’intégrer facilement de nouveaux modules comme « Beamforming » CS, Rd, Wr, Busy Gen. de Label Gen. de Trigger (camera)

24. Questions?