一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及声源定位技术领域，尤其为一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法及系统，其方法包括如下步骤：声音传感器通过内置麦克风阵列对周边声源信号进行采集，输出在二维空间各个方向角度上的声音信号强度向量（简称声强向量）序列；本发明专利技术使用软件算法实现多个声音传感器采集数据之间的同步，因而在实施时无须使用复杂的数字信号处理及时间同步技术，可有效降低设备成本，利用声音能量衰减模型实现对声源信号的匹配和识别，可以有效捕捉有效声源，实现对环境噪音的过滤，且声源定位算法简单有效，声音传感器部署方便灵活，可通过增加声音传感器密度进一步提高声源定位精度，同时系统的容错能力强、可靠性高。可靠性高。可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及声源定位
，具体为一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法及系统。

技术介绍

[0002]声源定位技术是利用麦克风对语音信号进行拾取，并应用数字信号处理技术对语音信号进行处理，从而确定声源相对于麦克风的位置。声源定位技术在视频会议系统、环境噪音检测、机器人语音识别等领域有广泛应用和研究前景。
[0003]目前声源定位技术可分为三类：到达时间差(TDOA：TimeDifference of Arrival)定位方法，到达角度(AOA：Angle of Arrival) 定位方法，以及接收信号强度定位方法。
[0004]到达时间差方法又称为双曲线方法，其原理是计算声源到达多个麦克风的时间差，利用双曲线上的点距其两个焦点的距离之差为常数这一性质，以麦克风位置为焦点，以双曲线拟合声源位置，利用两个麦克风对得到两个拟合双曲线的交点，该交点即为声源的位置。该方法实现简单，计算量小，但是对于麦克风的部署距离以及信号处理时间同步精度要求高，且抗噪音及抗混响能力较差。
[0005]到达角度定位方法使用麦克风阵列对声源进行定位。麦克风阵列是由多个麦克风按一定几何结构进行排列的设备，它具有很强的空间选择性，因此可以探测到声源在空间中的方向信息。在二维平面空间中，利用已知位置的两个麦克风阵列可以得到被测声源的两条来源方向直线，则这两条直线的交点即为被测声源的位置。该方法实现简单，但是对麦克风阵列的时钟同步要求高，且难以对瞬时噪音进行有效区分，抗干扰能力较差。
[0006]接收信号强度方法利用声音信号在空间中传播的能量衰减模型，通过部署在不同位置的多个声音传感器对声源信号强度进行采集，即可得到一组以声音传感器位置为圆心的声源估算位置，则多个估算位置圆的交点即为声源的位置。该方法以能量特征对声源进行识别，对噪音过滤能量较强，但实现较复杂。因为声音信号强度受环境影响较大，在非理想环境下定位误差较大。
[0007]综上，本专利技术提出了一种基于到达角度原理，结合声音信号衰减特征，在二维平面空间对声源进行连续识别和定位的方法及系统。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法及系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其方法包括如下步骤：
[0010]S1：声音传感器通过内置麦克风阵列对周边声源信号进行采集，输出在二维空间各个方向角度上的声音信号强度向量(简称声强向量)序列；
[0011]S2：声音传感器通过内置无线网络发送单元将麦克风阵列采集到的声强向量序列实时发送到计算平台；
[0012]S3：计算平台对接收到的声源信号信息进行存储，根据已知的声音传感器的位置坐标，结合接收到的声音传感器设备ID、声强向量序列、接收时刻时间戳信息，执行声源定位算法，对声源进行识别并计算出声源的位置坐标，计算结果可实时输出到显示界面展示，或者通过数据通信接口对外输出。
[0013]优选的，所述步骤S2中，声音传感器分别将探测到的声强向量，连同自身设备ID组成数据包发往计算平台。
[0014]优选的，所述步骤S2中，对于收自声音传感器的数据包，计算平台分别对其进行解析，提取出声强向量、声音传感器标识和时间戳。
[0015]优选的，所述步骤S2中，计算平台程序持续扫描各个声音传感器的消息缓存队列，执行声源定位算法，输出定位结果。
[0016]优选的，所述步骤S3中，定位算法扫描所有消息缓存队列中的每条声强向量记录，提取每条声强向量中声强数字的最大值进行比较，获得声强数字最大的声强向量记录，将该条记录从消息队列中取出，作为本次声源定位的基准向量记录，该缓存队列对应的声音传感器称为本次定位过程的基准传感器。
[0017]优选的，所述步骤S3中，定位算法逐条扫描其它声音传感器消息缓存队列，从中取出声强向量，获得该声强向量相对于基准传感器方向的夹角。
[0018]优选的，所述步骤S3中，对有效声源进行匹配识别，利用声音在空气中传播的衰减特征模型，对得到的定位坐标进行进一步的检验。
[0019]优选的，所述步骤S3中，定位算法完成对所有声音传感器消息队列的扫描和处理后，删除对应的声源记录，开始对位置估算队列进行处理，以确定声源的最终位置坐标。
[0020]一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位系统，所述声源定位系统包括声音传感器和计算平台，所述声音传感器由麦克风阵列及无线通信单元组成，所述声音传感器负责收集麦克风阵列在各个方向上采集到的声音信号强度数据，并将收集到的数据通过无线通信单元实时上报给计算平台，所述计算平台接收来自多个声音传感器上报的声音信号强度数据，执行声源定位算法，得出声源位置信息。
[0021]优选的，所述麦克风阵列是由6个麦克风组成的直径为9厘米的圆盘型小型阵列，6个麦克风均匀分布在圆盘周围，对不同方向的声源信号进行采集。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0023]1.本专利技术使用软件算法实现多个声音传感器采集数据之间的同步，因而在实施时无须使用复杂的数字信号处理及时间同步技术，可有效降低设备成本；
[0024]2.本专利技术利用声音能量衰减模型实现对声源信号的匹配和识别，可以有效捕捉有效声源，实现对环境噪音的过滤，计算方法简单有效；
[0025]3.本专利技术定位方法中的声音传感器部署方便灵活，通过增加传感器个数即可自适应扩大声源探测范围，通过增加传感器密度即可进一步提高声源定位精度；
[0026]4.本专利技术定位方法中的计算过程连续且支持动态平滑扩展，各个声音传感器在工作时互为热备份，系统容错能力强、可靠性高。
附图说明
[0027]图1为本专利技术系统部署示意图；
[0028]图2为本专利技术实施例流程图；
[0029]图3为本专利技术实施例声源定位算法执行过程。
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其方法包括如下步骤：
[0032]S1：声音传感器通过内置麦克风阵列对周边声源信号进行采集，输出在二维空间各个方向角度上的声音信号强度向量(简称声强向量)序列；
[0033]S2：声音传感器通过内置无线网络发送单元将麦克风阵列采集到的声强向量序列实时发送到计算平台；
[0034]S3：计算平台对接收到的声源信号信息进行存储，根据已知的声音传感器的位置坐标，结合接收到的声音传感器设备ID、声强向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其特征在于：其方法包括如下步骤：S1：声音传感器通过内置麦克风阵列对周边声源信号进行采集，输出在二维空间各个方向角度上的声音信号强度向量（简称声强向量）序列；S2：声音传感器通过内置无线网络发送单元将麦克风阵列采集到的声强向量序列实时发送到计算平台；S3：计算平台对接收到的声源信号信息进行存储，根据已知的声音传感器的位置坐标，结合接收到的声音传感器设备ID、声强向量序列、接收时刻时间戳信息，执行声源定位算法，对声源进行识别并计算出声源的位置坐标，计算结果可实时输出到显示界面展示，或者通过数据通信接口对外输出。2.根据权利要求1所述的一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其特征在于：所述步骤S2中，声音传感器分别将探测到的声强向量，连同自身设备ID组成数据包发往计算平台。3.根据权利要求1所述的一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其特征在于：所述步骤S2中，对于收自声音传感器的数据包，计算平台分别对其进行解析，提取出声强向量、声音传感器标识和时间戳。4.根据权利要求1所述的一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其特征在于：所述步骤S2中，计算平台程序持续扫描各个声音传感器的消息缓存队列，执行声源定位算法，输出定位结果。5.根据权利要求1所述的一种基于到达角度和声音强度匹配的声源定位方法，其特征在于：所述步骤S3中，定位算法扫描所有消息缓存队列中的每条声强向量记录，提取每条声强向量中声强数字的最大值进行比较，获得声强数字最大的声强向量记录，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新，李征宇，赵宇迪，施侃，
申请(专利权)人：上海数川数据科技有限公司，
类型：发明
国别省市：