基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法，装置包括供电模块、两个结构相同的麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡和上位机，每个麦克风阵列由一个固定麦克风和一个与固定麦克风相对距离保持不变的可移动麦克风构成；定位方法利用麦克风的移动搜索时延最大值，快速地确定声源目标的角度有效信息，采用三角几何关系准确测量出声源目标的距离并快速转化出声源目标的坐标。本发明专利技术可广泛用于室内近距离固定或慢速移动的声源目标快速、精确的三维空间定位。

【技术实现步骤摘要】
基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法
本专利技术属于声源定位领域，特别是一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法。
技术介绍
随着阵列信号处理技术的不断发展，声源定位技术日益成熟。声源定位技术能够弥补视觉定位角度有限且无法穿透非透光障碍物的缺陷，并且可以提取声音信号中的重要特征。利用麦克风阵列计算声源方位是声源定位的被动方法，目前已在移动机器人导航、视频会议、语音增强与识别等领域被广泛应用。目前利用麦克风阵列的声源定位方法主要有两大类：一类是基于声音信号到达麦克风的方向(DOA)，此类别中包括对各麦克风收到的信号进行滤波加权并求和求取最大功率波束的方向(即为声源大致方向)的可控波束形成(BS)声源定位方法(如SRP-PHAT算法(见文献1：DibiaseJ.AHigh-Accuracy,Low-LatencyTechniqueforTalkerLocationinReverberantEnvironments[D].BrownUniversity,Providence,RhodeIsland,USA,2000.)、最小方差无畸变响应波束形成法(见文献2：BrandsteinMS,WardEDB.MicrophoneArrays:SignalProcessingTechniquesandApplications[M].Berlin:Springer-Verlag,2001.))和根据各麦克风收到信号之间的相关矩阵计算信号方位角的高分辨率频谱估计声源定位方法(如近场二维MUSIC算法(见文献3：AsanoF,AsohH,MatsuiT.Soundsourcelocationandseparationinnearfield[J].IEICETransactionsonFudamentals,2000,E83-A(11):2286-2294.)；另一类是基于声音信号到达麦克风阵列的时延(TDOA)，该类方法根据各麦克风收到信号的时间差算出声源距各麦克风的距离差，再用几何或其他方法测出声源的位置(如广义互相关时延估计法(见文献4：KnappCH,GCCarter.Thegeneralizedcorrelationmethodforestimationoftimedelay[J].IEEETrans.Acoust,speech,SignalProcessing,1976,24(8):320-327.)、自适应特征值分解算法(见文献5：HuangY,BenestyJ,ElkoGW.Adaptiveeigenvaluedecompositionalgorithmforrealtimeacousticsourcelocationsystem[C].IEEEInternationalConferenceonAcoustic,Speech,SignalProcessing.Seatle,WA,USA,1998,2:937-940.))。上述方法主要利用固定麦克风阵列进行声源定位，所需麦克风的数量较多，且现有的装置和方法主要定位声源的角度，声源的距离不能够很有效地测量。此外，现有的定位技术对于环境噪声及混响的抑制作用有限，导致在高噪声、混响环境下定位精度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法，能够克服固定麦克风阵列所需麦克风数量多的问题，有效地利用三角几何关系快速测出声源目标位置，提高了定位精度和鲁棒性。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在第一圆形轨道圆心处，第一圆形轨道所在平面与地面垂直，第一移动麦克风设置在第一圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述第一圆形轨道通过支架设置在底座上，第一圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动第一圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，第二圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，包括以下步骤：步骤1、确定两个固定麦克风之间的距离，建立坐标系：以两个固定麦克风位置中点为原点、两个固定麦克风连线为x轴，包含x轴且平行于水平面的平面为XOY平面；初始时刻，两个移动麦克风与两个固定麦克风在同一条直线上；步骤2、通过驱动底座中的直流电机使得两个移动麦克风从初始时刻开始绕对应的固定麦克风同方向旋转180°，根据广义互相关法确定旋转过程中不同位置的移动麦克风与对应的固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角；当任意一个夹角的大小为0°或者180°时，移动一个麦克风阵列，使得移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线不重叠，返回步骤1；步骤3、根据两个固定麦克风的距离以及步骤2得到的声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，由三角形正弦定理确定声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d1和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d2；步骤4、以步骤2中得到的时延值最大的位置为起始位置，通过两个麦克风阵列圆形轨道圆心处的直流电机驱动移动麦克风绕各自固定麦克风先逆时针旋转90°，再从起始位置顺时针旋转90°，根据广义互相关法确定在旋转过程中不同位置的移动麦克风与固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时两个移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，分别得到声源目标与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β1和β2；步骤5、根据步骤3得到的d1和d2以及步骤4得到的β1和β2，由三角几何关系确定声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离；步骤6、根据声源目标在XOY平面的投影到原点的距离，以及该投影与原点的连线与x轴的夹角，由三角形正余弦定理确定声源目标的坐标值。本专利技术与现有的方法相比，其显著优点为：(1)本专利技术的定位装置采用可移动双麦克风阵列，在保证计算精度的同时，减少了麦克风数量，减小了定位装置的体积，降低了成本；(2)本专利技术的定位方法依据固定麦克风与移动麦克风的最大时延值确定麦克风阵列与声源目标的几何位置关系，计算量小，实时性好，精度高；(3)本专利技术可广泛用于室内近距离固定或慢速移动的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，其特征在于，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在圆形轨道圆心处，圆形轨道所在平面与地面垂直，第一移动麦克风设置在圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述圆形轨道通过支架设置在底座上，圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。...

【技术特征摘要】
1.一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，其特征在于，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在第一圆形轨道圆心处，第一圆形轨道所在平面与地面垂直，第一可移动麦克风设置在第一圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述第一圆形轨道通过支架设置在底座上，第一圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动第一圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，第二圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的可移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。2.根据权利要求1所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，其特征在于，所述两个麦克风阵列的圆形轨道半径均为10cm，所述支架和底座合计高为20cm，第一固定麦克风和第二固定麦克风的距离为1～2m。3.一种基于权利要求1所述基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定两个固定麦克风之间的距离，建立坐标系：以两个固定麦克风位置中点为原点、两个固定麦克风连线为x轴，包含x轴且平行于水平面的平面为XOY平面；初始时刻，两个可移动麦克风与两个固定麦克风在同一条直线上；步骤2、通过驱动底座中的直流电机使得两个可移动麦克风从初始时刻开始绕对应的固定麦克风同方向旋转180°，根据广义互相关法确定旋转过程中不同位置的可移动麦克风与对应的固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时可移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角；当任意一个夹角的大小为0°或者180°时，移动一个麦克风阵列，使得移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线不重叠，返回步骤1；步骤3、根据两个固定麦克风的距离以及步骤2得到的声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，由三角形正弦定理确定声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d1和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d2；步骤4、以步骤2中得到的时延值最大的位置为起始位置，通过两个麦克风阵列圆形轨道圆心处的直流电机驱动可移动麦克风绕各自固定麦克风先逆时针旋转90°，再从起始位置顺时针旋转90°，根据广义互相关法确定在旋转过程中不同位置的可移动麦克风与固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时两个可移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，分别得到声源目标与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β1和β2；步骤5、根据步骤3得到的d1和d2以及步骤4得到的β1和β2，由三角几何关系确定声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离；步骤6、根据声源目标在XOY平面的投影到原点的距离，以及该投影与原点的连线与x轴的夹角，由三角形正余弦定理确定声源目标的坐标值。4.根据权利要求3所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：设第一麦克风阵列的第一固定麦克风为m1，第一可移动麦克风为m2，第一圆形轨道半径为r；第二麦克风阵列的第二固定麦克风为m3，第二可移动麦克风为m4，第二圆形轨道半径为r；以m1m3的中点为原点O、以为x轴、初始时刻所有麦克风所在且平行于水平面的平面为XOY平面建立坐标系，m1和m3之间的距离为2L，其中L>r，则m1坐标为(-L,0,0)，m3坐标为(L,0,0)，在初始时刻，m2的坐标为(-L-r,0,0)，m4的坐标为(L-r,0,0)；设声源目标为Q，坐标为(x,y,z)，其在XOY平面的投影Q'坐标为(x,y,0)。5.根据权利要求4所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：当麦克风阵列的可移动麦克风位于对应的固定麦克风与声源目标Q在XOY平面的投影Q'所连直线上时，Q发出的声音信号到这固定麦克风与可移动麦克风的传播路程差最大，即此时两个麦克风时延值最大；确定同一麦克风阵列中两个麦克风时延最大值的相对位置即可找到Q'所在的直线，两个麦克风阵列确定的两条直线的交点即为Q'的位置；确定投影Q'与m1、m3形成三角形中以m1、m3为顶点的夹角的具体步骤如下：步骤2-1、令m2在XOY平面以m1为圆心旋转180°，m4在XOY平面以m3为圆心旋转180°；m2、m4每旋转10°停顿一下，确定此位置m1与m2的时延值和m3与m4的时延值；设此旋转过程中记录的m1与m2的最大时延值对应的旋转角度为θ1，m3与m4的最大时延值对应的旋转角度为θ2；步骤2-2、令m2在[θmin,θmax]之间移动，其中θmin＝max(0°,θ1-10°)，θmax＝min(180°,θ1+10°)，每旋转2°停顿一下，确定当前位置m1与m2的时延值；测得m1与m2最大时延值对应的旋转角度θ'1；m4以同样过程旋转，测得此过程中m3与m4最大时延值对应的旋转角度θ'2；步骤2-3、令m2在[θ'min,θ'max]之间移动，其中θ'min＝max(0°,θ'1-2°)，θ'max＝min(180°,θ'1+2°...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴祥，薄煜明，赵高鹏，臧鑫，杨頔，朱震曙，何亮，章婷婷，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32