Maixduino声源定位听声转头平台：双舵机云台DIY

用一只 Sipeed R6+1 麦克风阵列（6 个环形 + 1 个中心 MEMS 麦克风）在 Maixduino（K210）上做声源方向检测：听到声音从哪来，水平舵机就转头朝向它，环形 LED 同步指出方向。整套「听声 → 定向 → 伺服转头 → LED 指示」的声学伺服闭环，全程只用 MaixPy（MicroPython），可脱离 IDE 上电自跑。

项目简介

用麦克风阵列当「耳朵」、双舵机云台当「脖子」，实现：

• 声源定位：12 个方向分区 + 加权重心，算出声音的方位角
• 听声转头：声源在左，水平舵机转向左；在右，转向右
• 方向指示：环形 12 颗 SK9822 LED 亮蓝灯指向声源，LCD 显示声源热力图
• 防自激：舵机自己的电机声不会把自己「越叫越动」（高阈值 + 转向后静默锁定期 + 死区）
• 独立运行：程序存成 main.py 上传 K210 Flash，上电自动跑，不用一直开 IDE

项目特点是「只听方向、只认声音」：不依赖图像标定，闭环由「声源方位角 → 加权重心 → 舵机增量」直接完成。方向数据在串口实时可看，方便标定和调试。

功能特性

• 开机即定位：麦克风阵列初始化，环形 LED 上电自检
• 声源定向：12 分区 → 加权重心方位角（比峰值 bin 稳得多）
• 听声转头：方位角 → 水平舵机角（0~180°，左/右对正）
• 防抖死区：方向变化 <5° 不转；能量门槛只响应「够响的持续人声」
• 防自激：舵机转完进入 1.2s 静默锁定，忽略这段时间内的声音
• 方向指示：环形 LED 蓝灯指方向；LCD 热力图；串口打印 az/pan
• 独立运行：main.py 存进 Flash，上电自跑

硬件清单

接线要点（本实机制坑后的正确接法）：阵列信号直连 K210 的 GPIO，不是那排 A0~A5 丝印（A0~A5 是 ESP32 的脚，不是 K210 的）。本机实测有效配置：

系统方案与原理

1. 为什么「峰值 bin」不稳，要用加权重心：MIC_ARRAY.get_dir() 返回 12 个分区（对应环形 360°）。单帧峰值 bin 在噪声下会 0↔8↔2↔3 乱跳（本机实测：同一个方向峰值 bin 到处跳）。改用加权重心（circular mean）：

方位角 az = atan2( Σ v[i]·sin(2πi/12), Σ v[i]·cos(2πi/12) )  （0~360°）

峰值只取「哪个 bin 最响」做粗参考，加权重心给出连续稳定的方位角，再加一个 EMA 平滑（0.7 旧 + 0.3 新），方向从 180 这种散点收敛到很稳的值。

2. 面板竖放是「平面阵列」：左/右好测，正前最弱：R6+1 六个麦克风排在一个竖直圆上。平面阵列对同一平面内（左/右）的方向分辨最好，对正前（垂直面板方向）天生很弱。实测标定出左右两个稳定锚点：

正左 AZ ≈ 67    正右 AZ ≈ 258   （两者约相差 180°，符合「左/右互为反方向」）

所以这套平台只负责左/右转头（配你左右两侧的麦克风列），竖直面板正前弱是平面阵列固有特性。

3. 方位角 → 舵机角：把 az 相对 AZ_LEFT 归一化成横向位置 lat（0=左、180=右），再映射到水平舵机角并夹在安全区间：

lat = ((az - AZ_LEFT) % 360)     # 取 ≤180 的弧
pan = 90 + (lat/180 - 0.5) × 2 × 70    # 夹在 [0,180]

4. 防自激：为什么必须「高阈值 + 锁定 + 死区」：最初舵机一转，它自己的电机声被阵列听到 → 又触发转向 → 越转越响。三个措施一起破回路：

• 能量门槛 MIN_ENERGY：只响应「够响的持续人声」，挡掉环境/舵机小幅噪声
• 转向后静默锁定期 LOCKOUT_MS：舵机转完 1.2s 内忽略麦克风——自己的声音被「堵在门外」
• 方向死区 DEADBAND：方向变化 <5° 不动，不抖

程序实现（完整可直接运行）

from Maix import MIC_ARRAY as mic
from machine import PWM
import time, math

# ===== 舵机（本机：pan=IO13 全量程，tilt=IO14 只用90~180）=====
pan = PWM(0, freq=50, duty=0, pin=13)  # 水平
tilt = PWM(1, freq=50, duty=0, pin=14) # 俯仰
PAN_LIM, TILT_LIM = (0, 180), (90, 180)
def angle2duty(deg): return 2.5 + deg/180.0*10.0   # 0~180° -> 2.5~12.5%占空比
def set_pan(deg):  pan.duty(angle2duty(max(PAN_LIM[0], min(PAN_LIM[1], deg))))
def set_tilt(deg): tilt.duty(angle2duty(max(TILT_LIM[0], min(TILT_LIM[1], deg))))

# ===== 麦克风阵列（本机实测有效引脚）=====
mic.init(i2s_d0=24, i2s_d1=22, i2s_d2=15, i2s_d3=32,
         i2s_ws=21, i2s_sclk=23,
         sk9822_dat=12, sk9822_clk=11)

# ===== 标定：左/右方位锚点 =====
AZ_LEFT, AZ_RIGHT = 67, 258
PAN_GAIN = 70      # 转头灵敏度
MIN_ENERGY = 8     # 能量门槛（挡环境声/舵机声）
LOCKOUT_MS = 1200  # 舵机转完静默锁定期（防自激）
DEADBAND = 5       # 方向死区

def az_deg(d):     # 加权重心方位角 0~360°
    x = y = 0.0
    for i in range(12):
        x += d[i]*math.cos(2*math.pi*i/12)
        y += d[i]*math.sin(2*math.pi*i/12)
    return (math.atan2(y, x)*180/math.pi + 360) % 360

def az_to_pan(az): # 方位角 -> 水平舵机角
    raw = (az - AZ_LEFT) % 360
    lat = raw if raw <= 180 else 360 - raw   # 0=左, 180=右
    a = 90 + round((lat/180 - 0.5)*2*PAN_GAIN)
    return max(PAN_LIM[0], min(PAN_LIM[1], a))

set_pan(90); set_tilt(90)   # 回中：水平90、俯仰90(平视)
pan_deg, ema = 90.0, 180.0
lock_until = 0

while True:
    now = time.ticks_ms()
    if now < lock_until:    # 静默锁定期：忽略，照常读避免卡缓冲
        mic.get_map()
        continue
    d = mic.get_dir(mic.get_map())
    if max(d) >= MIN_ENERGY:       # 只对"够响"持续声响应
        az = az_deg(d)
        diff = (az - ema + 540) % 360 - 180   # 循环平滑
        ema = (ema + diff*0.3) % 360
        t = az_to_pan(ema)
        if abs(t - pan_deg) >= DEADBAND:       # 死区消抖 + 慢速趋近
            pan_deg = (pan_deg*0.5 + t*0.5)
            set_pan(pan_deg)
            lock_until = time.ticks_ms() + LOCKOUT_MS   # 转完锁定防自激
        mic.set_led(d, (0, 0, 255))             # 环形 LED 指方向（蓝）
        print("az", round(az,1), "pan", round(pan_deg))
    time.sleep_ms(120)

独立运行：MaixPy IDE 里 File → Save to device 存成 main.py，上电即自动运行，脱离 IDE。

调试实录与踩坑

1. 固件里根本没有 mic 模块（最坑）：v0.6.0 的普通/精简/with_lvgl 全系固件都没编声源定位的 mic_array，必须用 v0.6.2 标准完整版才有 MIC_ARRAY，也才支持 MaixPy IDE。
2. 模块名是大写的：是 from Maix import MIC_ARRAY as mic，不是小写 from maix import mic_array。写小写就是 ImportError: no module named 'maix'。
3. A0~A5 丝印在 ESP32 上，不在 K210 上：那排 A 引脚是 ESP32 的地盘，外接麦克风阵列不该往那接，要直连 K210 的 GPIO（本机 24/22/15/32/21/23、LED 12/11）。
4. init 一直返回 True、方向却全 0：mic.init(...) 只是「逻辑上把 GPIO 配成 I2S」，不检查物理上是否真接对了脚。接错脚时 init 照样成功、get_map 也有图，但 get_dir 恒 0。判断「接没接对」要看数据是不是随声源变，不能只看 init。
5. 舵机信号没路由到脚上的隐藏坑：machine.PWM(ch, freq=50, duty=0) 创建后舵机不动——因为没传 pin=，PWM 信号去了默认脚。正确是 PWM(0, freq=50, duty=0, pin=13)，pin= 参数把通道路由到目标 GPIO。duty 量程是 0~100 百分比。
6. 没接电测舵机会误判「死区」：一度以为俯仰有死区、0~180 不到底，其实是不小心没给舵机供电在测。接电后 pan/tilt 全行程扫描都顺畅——先确认供电再做死区结论。
7. 死区误判的教训：怀疑某个舵机「有死区/不转」时，用「好用的通道去驱那个引脚、再用另一通道去驱好用的引脚」做交叉隔离，别急着改代码。

实测效果与数据

• 方位角：同一方向连续测，峰值 bin 在 0↔8↔2↔3 乱跳，加权重心 az 稳定在 70±10 / 258±12 两个簇，标定可靠
• 转向：左喊 → 水平舵机转左，右喊 → 转右（反向就调换 AZ_LEFT/AZ_RIGHT）
• 防自激：加 MIN_ENERGY=8 + LOCKOUT_MS=1200 + DEADBAND=5 后，舵机自身电机声不再触发自己

听声转头演示

下一步改进

• 真正「只认人声」：当前 DOA 只认方向、不认「是不是人声」。两条路：① 换带 speech/关键词唤醒的固件，喊口令（如「小智」）才转头——最可靠；② 用 audio 做音高(Voiced)检测，基频 85~300Hz 才响应——不换固件但较凑合
• 竖直面板正前方向弱：加前后遮挡/改立体阵列增强水平朝向分辨
• 视觉联动：麦克风阵判定方位 → 二哈 2 视觉细瞄 → 双舵机（甚至六舵机机械臂）锁定目标

安全提醒：舵机用独立 5V 供电 + GND 共地，别用 K210 逻辑电（两舵一起转电流瞬时可达 1A+）；上电前把舵机手动回中位。所用引脚/标定锚点均为本机实测示例，请按你的安装与麦克风朝向微调。