一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法技术

本发明专利技术一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，涉及室内定位领域，该方法利用声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元构成的设备，选择采用三个不同频带的声音信号作为三个声源的发声信号来实现麦克风位置的空间估计，该三个频带不同的声音信号被待定位麦克风和参考麦克风所接收，通过计算待定位麦克风与声源之间的距离，计算出待定位麦克风的空间位置，通过声达时间差和几何体积求解的方式实现基于声源阵列的空间麦克风定位；本发明专利技术克服了现有技术存在的操作较繁琐，效率较低，安装不便，只能离线计算，无法实现麦克风位置的在线估计和无法实现空间分布麦克风的位置估计的缺陷。

A space microphone location method based on sound source array

A spatial microphone positioning method based on sound source array relates to the indoor positioning field. The method utilizes the equipment composed of sound source distribution unit, reference microphone, microphone to be positioned and microphone signal processing unit to select the sound signals of three different frequency bands as the sound signals of three sound sources. Achieving the spatial estimation of microphone position, the three different frequency bands of sound signals are received by the microphone to be positioned and the reference microphone. By calculating the distance between the microphone to be positioned and the sound source, the spatial position of the microphone to be positioned is calculated, and the sound source is realized by solving the acoustic time difference and the geometric volume. The invention overcomes the disadvantages of the prior art, such as complicated operation, low efficiency, inconvenient installation, off-line calculation, on-line estimation of the microphone position, and unable to realize the position estimation of the spatial distribution microphone.

【技术实现步骤摘要】
一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法
本专利技术的技术方案涉及室内定位领域，具体地说是一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法。
技术介绍
随着传感器技术的不断发展，在服务机器人产品的应用中，常需要获得空间的路标位置，用于机器人产品的导航。相比传统用激光雷达和视觉的感知方式，采用听觉的方式，通过对声音信号的处理，从仿人角度出发而构建的机器人听觉系统，已成为机器人领域的重要研究对象。相比其他的感知方式，采用声音的方式，可以弥补视觉传感方式对大面积空旷地域无法提取特征点以及对光照的严重依赖。现有的技术中，基于麦克风阵列的声源定位方法大概分为以下三类：基于最大输出功率的可控波束形成技术、高分辨率谱估计技术和基于声达时间差的声源定位技术。成都电子科技大学肖华在2008年发表的《麦克风阵列的校正方法研究》中采用三个不同位置的校正声源来校正麦克风阵列中麦克风位置。该方案将一个声源先后放置于三个位置，分三次进行信号的采集与计算，最后将三次计算结果融合得到麦克风位置。但该方法存在信号采集操作较繁琐，效率较低，只能离线计算，无法实现麦克风位置的在线估计的缺陷。CN103439689B公开了一种分布式麦克风阵列中麦克风位置估计系统，该方法通过基于能量和时延的测距方法结合，但是存在只针对平面的麦克风阵列进行了位置估计，无法实现空间分布麦克风的位置估计的缺陷。CN105388459A公开了分布式麦克风阵列网络的鲁棒声源空间定位方法，通过两次估计来最终确定声源的空间位置，其存在需要通过两个麦克风阵列确定三维空间坐标，安装不便的缺陷。本申请人早先申请的CN201010191634.1一种声源定位装置和CN201310001460.1三维空间声源定位方法所涉及的技术主题和技术方案与本专利技术的所涉及的技术主题和技术方案完全不同。前两者所用的麦克风阵列的空间构成为正四面体结构，所需要定位的对象为声源，而本专利技术设计的声源阵列结构为平面四边形结构，对四边行的排列无特殊要求，所应用的场景更广泛，所需要定位的对象为麦克风。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：一种基于声源阵列的空间麦克风定位其方法，该方法利用声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元构成的设备，选择采用三个不同频带的声音信号作为三个声源的发声信号来实现麦克风位置的空间估计，该三个频带不同的声音信号被待定位麦克风和参考麦克风所接收，通过计算待定位麦克风与声源之间的距离，计算出待定位麦克风的空间位置，通过声达时间差和几何体积求解的方式实现基于声源阵列的空间麦克风定位；本专利技术克服了现有技术存在的操作较繁琐，效率较低，安装不便，只能离线计算，无法实现麦克风位置的在线估计和无法实现空间分布麦克风的位置估计的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，具体步骤如下：第一步，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备：在一个三维空间内，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备，包括声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元；其中，上述声源分布单元由三个声源按照三角形排列并且为三角形固定构成，这三个声源分别为空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3，三个声源同时发出三个频带不同的声音信号；上述参考麦克风为一个麦克风，其分别到三个声源中的第i个声源的距离为di(i＝1,2,3)且这三个距离固定且已知，同时该参考麦克风设置在保证能接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围之内；上述的待定位麦克风被用于验证算法的正确性，将其固定在物体上即可计算出物体的位置信息，其数量为N≥1，被安置在三维空间中的能保证接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围内；麦克风信号处理单元被集成在参考麦克风和待定位麦克风上，用以处理麦克风接收到的声源分布单元所发出的声音信号同时计算其自身位置的信息；上述三个频率不同的声源与上述参考麦克风的位置排放在二维平面内，并构成四边形。第二步，设定声源分布单元的声音传播满足线性波动方程，计算第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离：在上述第一步所述的三维空间内，设定空间内的环境在声音信号测定的时间内不变，上述第一步中设定的声源1、声源2和声源3同步产生声音信号xi(t)，待定位麦克风中的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)则是室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，设声源分布单元发出的声音信号为si(t)，上述第一步中设定的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)即室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果由如下公式(1)所示，公式(1)中，xij(t)(i＝1,2,3,j＝1,2.....N)为室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，τij(i＝1,2,3)为声源信号到第j个待定位的麦克风的时间延迟，n(t)(i＝1,2,3)为环境噪声，“*”为卷积算子，声源信号为si(t)(i＝1,2,3)和环境噪声n(t)(i＝1,2,3)互不相关，通过声达时间法与上述第一步中设置的声源分布单元与上述第一步中设定的参考麦克风之间的距离关系即可计算上述第一步中设置的第j个待定位麦克风到上述第一步中设置的声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离如下公式(2)所示，dij＝Lj+ΔTij·c(2)，公式(2)中，ΔTij(i＝1,2,3,；j＝1,2.....N)为上述第一步中设置的第j个待定位麦克风与参考麦克风接收到上述第一步中的声源分布单元的三个声源中的第i个声源发出的声音信号的时间差，c为空气中声音的传播速度，Li(i＝1,2,3)为第一步中三个声源中的第i个声源到参考麦克风的距离,由此计算出第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离；第三步，计算出待定位麦克风的空间位置：在上述三维空间中，设定实现空间麦克风定位的已知位置的参考节点最少为3个，分别为坐标为(x1,y1,z1)的A参考节点、坐标为(x2,y2,z2)的B参考节点和坐标为(x3,y3,z3)的C参考节点，再设定O为未知位置的待定位节点，最少由上述四个节点单元组成一个最下的三维立体空间定位系统，参考节点A到待定位节点O之间的距离为di1，参考节点B到待定位节点O之间的距离为di2，参考节点C到待定位节点O之间的距离为di3，由如下公式(3)、(4)、(5)、(6)计算出待定位麦克风的空间位置，z＝V/SΔABC(5)，坐标为(x1,y1,z1)的A参考节点、坐标为(x2,y2,z2)的B参考节点和坐标为(x3,y3,z3)的C参考节点分别被指定为上述第一步中设置的空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3的三个声源，待定位节点O为上述第一步中设置的第i个待定位麦克风，那么，b,a,f分别为待定位节点O，到坐标为(x1,y1,z1)的A参考节点、坐标为(x2,y2,z2)的B参考节点和坐标为(x3,y3,z3)的C参考节点的距离差，c,d,e,分别为A与B参考节点，A与C参考节点，B与C参考节点之间的距离，V为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备：在一个三维空间内，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备，包括声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元；其中，上述声源分布单元由三个声源按照三角形排列并且为三角形固定构成，这三个声源分别为空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3，三个声源同时发出三个频带不同的声音信号；上述参考麦克风为一个麦克风，其分别到三个声源中的第i个声源的距离为di(i＝1,2,3)且这三个距离固定且已知，同时该参考麦克风设置在保证能接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围之内；上述的待定位麦克风被用于验证算法的正确性，将其固定在物体上即可计算出物体的位置信息，其数量为N≥1，被安置在三维空间中的能保证接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围内；麦克风信号处理单元被集成在参考麦克风和待定位麦克风上，用以处理麦克风接收到的声源分布单元所发出的声音信号同时计算其自身位置的信息；上述三个频率不同的声源与上述参考麦克风的位置排放在二维平面内，并构成四边形。第二步，设定声源分布单元的声音传播满足线性波动方程，计算第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离：在上述第一步所述的三维空间内，设定空间内的环境在声音信号测定的时间内不变，上述第一步中设定的声源1、声源2和声源3同步产生声音信号xi(t)，待定位麦克风中的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)则是室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，设声源分布单元发出的声音信号为si(t)，上述第一步中设定的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)即室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果由如下公式(1)所示，...

【技术特征摘要】
1.一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备：在一个三维空间内，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备，包括声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元；其中，上述声源分布单元由三个声源按照三角形排列并且为三角形固定构成，这三个声源分别为空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3，三个声源同时发出三个频带不同的声音信号；上述参考麦克风为一个麦克风，其分别到三个声源中的第i个声源的距离为di(i＝1,2,3)且这三个距离固定且已知，同时该参考麦克风设置在保证能接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围之内；上述的待定位麦克风被用于验证算法的正确性，将其固定在物体上即可计算出物体的位置信息，其数量为N≥1，被安置在三维空间中的能保证接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围内；麦克风信号处理单元被集成在参考麦克风和待定位麦克风上，用以处理麦克风接收到的声源分布单元所发出的声音信号同时计算其自身位置的信息；上述三个频率不同的声源与上述参考麦克风的位置排放在二维平面内，并构成四边形。第二步，设定声源分布单元的声音传播满足线性波动方程，计算第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离：在上述第一步所述的三维空间内，设定空间内的环境在声音信号测定的时间内不变，上述第一步中设定的声源1、声源2和声源3同步产生声音信号xi(t)，待定位麦克风中的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)则是室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，设声源分布单元发出的声音信号为si(t)，上述第一步中设定的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)即室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果由如下公式(1)所示，公式(1)中，xij(t)(i＝1,2,3,j＝1,2.....N)为室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，τij(i＝1,2,3)为声源信号到第j个待定位的麦克风的时间延迟，n(t)(i＝1,2,3)为环境噪声，“*”为卷积算子，声源信号为si(t)(i＝1,2,3)和环境噪声n(t)(i＝1,2,3)互不相关，通过声达时间法与上述第一步中设置的声源分布单元与上述第一步中设定的参考麦克风之间的距离关系即可计算上述第一步中设置的第j个待定位麦克风到上述第一步中设置的声源分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鹏，翟葆朔，孙昊，陈晓辉，王硕朋，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12