舞台小跟班

1.绪论

1.1研究背景

在各类演讲比赛、话剧表演等场合，话筒的位置对语音采集效果至关重要。但目前大多数舞台话筒采用固定支架，无法根据不同使用者的身高做自动调节，需要人工操作来调整高度和角度，给使用带来诸多不便。因此，设计一种可自动调节高度和角度的智能化话筒架，可以很大程度上提高语音采集质量和舞台表演体验。

1.2文献调研

专利网站上搜索与本项目相关的专利或研究。将结果成列如下表：

调研结论：没有发现与本项目相同的研究或者专利。

1.3成果展示

本文设计了一种基于Huskylens人脸识别的自动可升降话筒架。系统可根据使用者的身高自动调节话筒的高度，并通过识别面部位置调节话筒角度，从而实现精准对准。同时，系统还集成了移动底盘，支持手动或自动跟踪模式，使话筒可以随着使用者的移动而移动。该设计不仅操作便捷，而且成本较低，可广泛应用于各类中小型话剧表演、朗诵比赛等场合。

图 1侧视图

2.系统总体设计

2.1设计思路

针对传统话筒架无法自动调节高度和角度的问题，本系统的设计思路是：

（1）利用超声波测距传感器测量使用者身高，结合电动推杆调节话筒高度;

（2）利用摄像头采集图像，通过人脸识别算法定位面部位置，控制舵机调节话筒角度;

（3）为了实现话筒的自动跟随，在系统底部加装麦克纳姆轮全向移动底盘;

（4）提供手动控制和自动跟随两种工作模式，以满足不同场景需求。

2.2系统框架

系统总体框架：

硬件部分主要包括摄像头、电动推杆、舵机以及麦克纳姆轮底盘等;

软件算法部分主要包括超声波测距、人脸识别定位、运动控制等模块。

3.硬件设计

3.1电动推杆驱动机构

选择如下电动推杆，推程范围为0-300mm，可满足不同身高使用者的需求。推杆下端与底座固连，上端安装话筒支架。通过控制推杆伸长程度，可实现高度调节。推杆主要参数：电压12V，扭力30N，推杆速度24mm/s

3.2舵机调节机构

在话筒支架上安装一个180°连续旋转舵机，舵机轴心处固定有话筒支架。通过控制舵机转角，可以调节话筒的方向，使其对准使用者面部。

3.3麦克纳姆轮底盘

底部采用经典的四轮麦克纳姆轮机构，每个轮由一个直流减速电机驱动，底盘使用亚克力材料。

3.4控制电路及供电

控制电路选用Arduino nano作为主控制器。供电采用18650锂电池组，为整个系统提供12V直流电源。

3.5组装过程

首先，组装底盘，安装电机和麦克纳姆轮。其次，安装驱动板，连接电路。最后，安装推杆和话筒架。

4.软件设计

4.1人脸识别与定位算法

采用Huskyllens AI摄像头，切换到人脸识别算法，通过预先学习再识别的方法进行人脸的检测。根据识别到的人脸坐标，通过舵机微调角度。

4.2运动控制算法

底盘的全向移动通过差速控制实现。首先采集图像，如果检测到人脸目标，计算人脸位置相对于图像中心的方位角，将其作为期望运动方向，通过差速公式计算出每个轮子的速度分量，进而控制四个电机转速实现自动跟随。

5.系统测试与分析

自动调节话筒高度功能测试。

实验步骤：

1.打开电源

2.下蹲放低身体高度

3.再次起立

4.观察话筒架的高度变化

实验结果：话筒能够根据身高自动调整高度。

测试左右的跟随功能。

实验步骤：

1.打开装置。

2.等待人脸识别。

3.站在话筒面前。

4.分别向左和向右移动。

5.观察话筒的移动情况。

实验结果：话筒能够跟随任务左右移动。

测试话筒的前后跟随功能。

实验步骤：

1.打开装置。

2.等待人脸识别。

3.站在话筒面前。

4.靠近话筒和远离话筒。

5.观察话筒的移动情况。

实验过程：

实验结果：话筒在人物靠近时会自动远离，当人物远离时会自动靠近。

通过测试分析，系统总体性能可以满足基本的使用要求。但也存在一些不足，例如在多人环境下，人脸识别容易受干扰，导致定位偏差;此外推杆的推程范围也有一定局限性。

6.总结与展望

6.1项目创新点

Huskylens AI视觉传感器技术：通过使用Huskylens AI视觉传感器，系统能够实时检测人与话筒的相对位置，从而准确判断话筒需要移动和升降的方向，实现智能化的跟随功能。

自动横向和纵向移动：采用麦克纳姆轮技术，使话筒架能够实现整体的横向和纵向移动，确保话筒能够随着表演者在舞台上的移动而灵活调整位置，保持良好的音频效果。

电动推杆升降功能：通过电动推杆实现话筒高度的自动升降功能，使得话筒架能够根据表演者的身高和位置变化自动调整话筒的高度，确保音频传输效果的最佳化。

这些创新点结合了AI视觉传感器技术、机械移动技术和电动控制技术，为舞台表演中话筒位置调整带来了更智能、更便捷的解决方案，提升了表演效果和用户体验。

6.2项目讨论

优点：

提升表演效果：自动跟随功能可以确保话筒始终跟随表演者，不仅提高了声音的清晰度，也增强了表演效果。

节省人力成本：自动化的话筒架减少了需要专门负责话筒调整的工作人员，从而节省了人力成本。

提高效率：自动化调整可以更快速地适应不同表演者的移动和位置变化，提高了整体表演效率。

结合智能技术：利用Huskylens AI视觉传感器技术，结合自动横向纵向移动和电动推杆升降功能，展示了智能技术与机械控制的结合，为舞台表演提供了更便捷智能的解决方案。

潜在挑战：

技术稳定性：新技术的应用可能会带来技术稳定性的挑战，需要确保系统稳定可靠，避免在表演中出现故障。

成本：引入智能技术和自动化机械可能会增加项目的成本，需要权衡投资与收益之间的关系。

适应性：不同的表演场景和表演者可能需要不同的调整和设置，话筒架系统需要具备一定的适应性和灵活性。

隐私和安全：智能传感器可能涉及个人信息和隐私安全问题，需要确保数据安全和隐私保护措施得到妥善处理。

目前系统还存在一些不足，如多人识别、视野盲区等问题有待进一步优化。未来的工作将着眼于提高系统适用范围，比如引入语音识别技术，使系统能够根据语音源定位;同时也可以在算法层面优化重心跟踪、运动规划等模块，提高系统的实时响应能力。

6.3未来展望

应用领域：

演艺表演：在舞台表演、音乐会、演讲等活动中，自动跟随话筒架可以提高声音传输效果，增强表演体验。

会议和演讲：在会议室、讲台上使用自动跟随话筒架，可以让演讲者自由移动，无需过多关注话筒位置。

教育领域：在教室中使用自动跟随话筒架，可以帮助教师更好地传达知识，提高课堂效果。

改进方向：

智能化升级：进一步提升智能化水平，可以考虑引入更先进的AI技术，使话筒架能够更准确地识别表演者位置，并实现更精准的跟随。

多功能性设计：除了跟随功能，可以考虑增加其他功能，如自动调节音量、声音方向性调整等，提升话筒架的多功能性。

安全性和隐私保护：加强数据安全和隐私保护措施，确保智能传感器不会侵犯用户隐私，保障使用者的信息安全。

参考文献：

[1]李鹏.基于L298N的直流电机调速系统[J].电子测试，2022，36（21）：37-40.DOI：10.16520/j.cnki.1000-8519.2022.21.029.

[2]师宇，白宏坤，马晓慧，等.基于HuskyLens的智能垃圾分类回收车设计[J].信息与电脑（理论版），2023，35（10）：147-150.