一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置的制作方法

专利名称：一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及声音测量技术，具体为一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置，主要适用于导航定位、环境监测、军事排爆和科学研究等领域。
背景技术：
随着电子技术的不断发展以及受到自然界生物的启发，研究人员开始使用模拟生物视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官的电子设备对环境进行认识。在对环境认识过程中，单个或者多个测量设备本身的位置信息是对环境进行认识过程中的一个主要组成部分。另外，随着无线电及微电子技术的发展，无线节点的成本大大降低，从而利用固定或移动的无线传感器节点(如移动机器人)构建传感器网络对环境进行分布式认识很容易实现。给这样的传感器网络配备特定的传感器，可广泛应用于环境监测，战场中爆炸物排除，以及对矿井下事故的监测、预报等。在这些应用当中，传感器网络节点的位置信息显得尤为重要。GPS定位 系统是目前广泛被采用的位置信息获取装置，但常规的GPS系统定位精度太低，如采用定位精度较高的差分GPS系统又存在体积大、价格昂贵等问题，不宜进行大批量部署。此外，视觉传感器也可以被用来获取网络节点的位置信息，但是其一般具有方向性，不能覆盖其周围360°的范围，尽管全局视觉定位装置能弥补上述缺点，但也存在结构复杂、价格贵、计算复杂度大等问题，因此也不适用于无线传感器网络节点。鉴于声波是以声源为中心，无数个球面波叠加而成，故若声源声音出口朝上，则可覆盖其周围360°的范围，加之声音探测器价格低廉，适合大批量部署，因此利用声音探测器获取位置信息在传感器网络应用方面具有明显的优势。目前声音定位多用在辅助多媒体信息的采集。比如，在演讲大厅中，对演讲者进行定位，以控制摄像或录音设备对准演讲者，以提高拍摄、录音效果，在该应用中主要使用麦克风阵列中不同麦克风的声音强度来确定声源的方位，以提高声音米集的效果(参见“一种阵列麦克的声音定位方法和装置”，200810084727. 7)。但这种定位方法只是对声源的方位进行大致的估计，并不能精确解算出声源相对于麦克风的位置坐标。此外，声音定位方法也被用于机器人引导(参见“一种基于声音引导的机器人定位装置”，200910219548. 4)。这种引导装置被安装在机器人上，由机器人的控制单元控制发声装置发声，然后由机器人外固定位置的麦克风接收声音，并传送声音信号到定位单元，从而计算出机器人当前的坐标位置。机器人和定位单元之间通过无线模块进行通信，机器人根据无线模块传送来的坐标信息调整运动，向目标点行进，并最终到达目标点。上述方法在定位过程中，麦克风阵列中麦克风是分散排布在环境当中，而且麦克风之间的距离远大于声音的波长，因此属于集中式的远场定位方法。专利文献“无需时间同步的声音定位系统及方法”(200910219548. 4)中，描述了一种在无线传感器网络中无需时间同步的声音定位系统。该系统包括待定位节点，对外发出声源信号；两个以上的接收器，分为基准接收器和信标接收器两种，录制待定位节点发出的声源信号以及所述基准接收器对外发出的后继声源信号，并将录制结束后的录音数据输出给服务器；服务器接收各接收器输出的录音数据，并依据该录音数据计算出待定位节点的位置，将其显示在服务器上。服务器根据接收到的待定位节点发出的声音信号和信标节点发出的后续声音信号的时间差对待定位节点进行定位，因此，该方法是一种离线的全局声音定位方法。但其不足是传感器节点不能在本地直接解算出节点之间的相对位置坐标，定位算法实时性不能保证，而且录音装置结构复杂，数据存储量大。综上所述，目前已有的声源定位方法很难直接应用于传感器网络节点的位置估计。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置。该定位方法具有分布式、实时性好、鲁棒性高的特点；该定位装置具有结构简单、造价低、功耗小，且实时性好的特点，可使一定区域(直径为3m的圆形范围)内装有该装置的多个设备实现相对精确定位。本发明解决所述定位方法技术问题的技术方案是，设计一种二维空间分布式声音 相对定位方法，该定位方法采用以下步骤[I]初始化，在2-16个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声的节占.[2]节点i发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点i相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；所述声音定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法；[3]节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近的节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；[4]节点f发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点f相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；[5]网络中的所有节点，利用协调定位算法，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；所述的协调定位算法是指网络中的一个节点使用得到的发声节点相对于自身和其他节点的坐标，计算出其他所有不发声节点相对于该节点之坐标的方法；[6]完成相对定位，把节点f设置为节点i，转步骤[I]，从而进行下个周期的相对定位。本发明解决所述定位装置技术问题的技术方案是，设计一种二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于该定位装置根据本发明所述二维空间分布式声音相对定位方法设计，包括麦克风阵列、麦克风阵列架、支架杆、蜂鸣器、第一无线通信模块、固定柱、电路板、微控制器和第二无线通信模块；所述麦克风阵列由4个麦克风组成，均布焊接在圆环状麦克风阵列架上，并通过细导线与电路板电连接；电路板与麦克风阵列架水平平行布置，并用3或4个支架杆垂直连接在电路板与麦克风阵列架之间；蜂鸣器的喇叭口朝上安放在支架杆之间，并使其中心与麦克风阵列的几何中心在同一条中垂线上，采用固定柱固装在电路板上，同时把蜂鸣器的电源线焊接在电路板中的电源上；第一无线通信模块和第二无线通信模块对称布置在电路板的两侧，并利用其上的两组单排插针，分别安装在电路板上对应位置的插座上；微控制器焊接在蜂鸣器下面的电路板上；所述电路板上包括依次电连接的信号调理电路和数字信号处理电路；信号调理电路由顺序连接的前级放大、带通滤波和后级放大电路构成；信号处理电路由顺序连接的模数转换和数据处理电路构成；所述第一无线通信模块和第二无线通信模块分别与信号处理电路对应连接；所述信号调理电路与麦克风阵列连接；所述蜂鸣器与驱动电路驱动连接。与现有技术相比，本发明定位方法选择麦克风之间的距离不大于声音波长的1/2，且对相关计算中的卷积运算加窗，因而减小了计算量，提高了实时性，避免了整周期的误差，增强了鲁棒性；采用无线通信信号作为同步声音发送和接收，简化了算法，同时使用四路接收信号之间简单运算，减小了随机噪声的影响，提高了估计精度；采用对等的网络结构设计，同时动态选择节点作为发声装置的相对定位方法，因而增强了定位系统的灵活性和鲁棒性。本发明定位装置使用蜂鸣器发出的频率相对较高(I. 7^3. 5KHz)的单频声音作为目标信号，因而抑制了外界噪声，同时减小了装置的体积；选择了声音装置从发声到声音幅值上升到最大这段时间作为发声持续时间(IOms以内)，因而改善了装置的实时性；使用工作频率不同、独立的两个无线通信模块分别用于声源同步和信息交互，因而消除了由于通信冲突造成的定位误差，提高了定位的精度。 实验验证表明，在装置数量小于16台的情况下，本发明方法和装置的协调定位的周期可以控制在Is之内。


图I为本发明二维空间分布式声音相对定位装置一种实施例的整体结构示意图；图2为本发明二维空间分布式声音相对定位装置一种实施例的电路结构示意图；图3本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的麦克风阵列结构不意图；图4本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的声源方向估计不意图；图5本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的声源分布区域不意图；图6本发明二维空间分布式声音相对定位方法和装置一种实施例的多个装置协调定位示意图。
具体实施例方式本发明设计的二维空间分布式声音相对定位方法(简称定位方法或方法，参见图1-6)，该定位方法采用以下步骤[I]初始化，在2-16个定位装置(不排除更多个设计，以下以五个装置为例说明)组成的网络中，随机设置一个装置i (这里选择装置I)作为发声节点；[2]装置I发声，同时利用装置I自身的第一无线通信模块⑤通知装置2、3、4、5开始接收数据；[3]装置2、3、4、5利用接收到的数据，根据式(1)-(8)独立计算出装置I相对于其自身装置2、3、4、5坐标系中的角度；利用式(9)-(11)独立计算出装置2、3、4、5到装置I的距离；
[4]装置2、3、4、5分别根据自身计算出的角度和距离信息，计算出装置I在各自坐标系下的坐标，并通过各自的第二无线通信模块⑨分别广播这一坐标信息；[5]装置I根据接收到的坐标信息，计算出与其距离最近的一个装置(实施例为装置3)的方向与距离，利用其自身的第一无线通信模块⑤传递发声标志给该装置(装置3)；[6]把[2]、[3]、[4]步骤中的装置I和装置3对调，重复步骤[2]、[3]、[4]，则所有节点都能得到装置I在装置2、3、4、5坐标系下的坐标和装置3在装置1、2、4、5坐标系下的坐标；[7]根据式(12)-(13)，利用步骤[6]中得到的坐标信息，节点1、2、3、4、5分别计算所有节点在其自身坐标系下的坐标，即完成了二维空间分布式声音相对定位。
本发明方法中，与声音定位装置的传感器结构和硬件配置相对应，设计了单个声源的定位方法和多个节点协调定位的算法，以此最终实现分布式相对定位。本发明方法中，所述声源(音)定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法。I)声音定位算法要实现相对声音定位，首先要保证单个定位装置能对单个声源进行定位。其中，麦克风阵列①的结构是最为关键的部分。其设计要考虑麦克风的个数、拓扑结构和体积等因素。不同的阵列结构会导致声音定位算法的复杂程度、准确性等方面的差异。为了使麦克风阵列①适用于传感器网络节点使用的定位系统，本发明中采用了由四个麦克风组成的麦克风阵列①来进行声源定位。麦克风阵列①的四个麦克风(O)、 、 和Θ设置成在十字形顶点的两两相对结构(参见图1、3所示，图3中1表示两个相对麦克风之间的距离，α、β分别是坐标原点到声源之间的连线与X轴正向、Y正向之间的夹角，Θ为声源方向估计的结果)。a)声源方向估计本发明方法中采用基于远场模型的声达时间差(Time Differences of Arrival,TDOA)的声音定位技术(参见图3-4，图3中的SS表示声源),设麦克风◎和 之间的距离为1，则其接收到的含有噪声的信号X1(Il)和X2(Il)可以描述如下X1 (n) = ap (η-τ J+V1 (η)(I)χ2 (η) = a2s (η-τ 2)+ν2 (η)(2)其中，s(n)是声源，Tp τ 2是声音从声源传播到两个麦克风的时间，apa2是声音裳减系数，Vi (η)、ν2 (η)是不相关闻斯白噪声。X1OO和χ2 (η)的互相关函数可以表不为i ,'J(r) = E (Xi(Ii)X t(n — ri)(3)其中，E表示数学期望。设声音到达麦克风 的时间差为τ12。由于V1 (η)和V2 (η)是不相关的高斯白噪声，把式⑴和⑵代入式⑶可以得出Ri2 (r) =— r, )s(h — r: — η)) = ^azRs(r — fl2)(4)其中，Rs(T-T12)是s(n)的自相关函数。根据相关函数的性质，蹲J"(r)在τ = τ 12时有最大值，因此τ 12为咕>娵峰值时对应的τ值。根据麦克风GK 的拓扑结构和三角形两边之差不大于三边的公理可知τ在一定的取值范围内取值，即
权利要求
1.一种二维空间分布式声音相对定位方法，该定位方法采用以下步骤 [1]初始化，在2-16个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声的节点； [2]节点i发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点 相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；所述声音定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法； [3]节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近的节点f的位置，然后传递发声标志给该节点； [4]节点f发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点f相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标； [5]网络中的所有节点，利用协调定位算法，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；所述的协调定位算法是指网络中的一个节点使用得到的发声节点相对于自身和其他节点的坐标，计算出其他所有不发声节点相对于该节点之坐标的方法； [6]完成相对定位，把节点f设置为节点i，转步骤[I]，从而进行下个周期的相对定位。
2.—种二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于该定位装置根据权利要求I所述二维空间分布式声音相对定位方法设计，包括麦克风阵列、麦克风阵列架、支架杆、蜂鸣器、第一无线通信模块、固定柱、电路板、微控制器和第二无线通信模块；所述麦克风阵列由4个麦克风组成，均布焊接在圆环状麦克风阵列架上，并通过细导线与电路板电连接；电路板与麦克风阵列架水平平行布置，并用3或4个支架杆垂直连接在电路板与麦克风阵列架之间；蜂鸣器的喇叭口朝上安放在支架杆之间，并使其中心与麦克风阵列的几何中心在同一条中垂线上，采用固定柱固装在电路板上，同时把蜂鸣器的电源线焊接在电路板中的电源上；第一无线通信模块和第二无线通信模块对称布置在电路板的两侧，并利用其上的两组单排插针，分别安装在电路板上对应位置的插座上；微控制器焊接在蜂鸣器下面的电路板上；所述电路板上包括依次电连接的信号调理电路和数字信号处理电路；信号调理电路由顺序连接的前级放大、带通滤波和后级放大电路构成；信号处理电路由顺序连接的模数转换和数据处理电路构成；所述第一无线通信模块和第二无线通信模块分别与信号处理电路对应连接；所述信号调理电路与麦克风阵列连接；所述蜂鸣器与驱动电路驱动连接。
3.根据权利要求2所述的二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于所述的支架杆长度可调。
4.根据权利要求I所述的二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于所述装置的总体积为长100 mmX宽100 mmX高120 150mm，重量150g ;所述麦克风阵列中的麦克风采用信噪比60 dB的通用全向麦克风；所述电路板采用PCB电路板；所述蜂鸣器在距离10cm时响度大于95 dB，且蜂鸣器的频率为I. 7 3. 4 KHz,电压为5 24 V可调；第一无线通信模块采用SPI接口、工作于433 Hz的模块；微控制器采用具有大于4路的AD转换，具有双UART和单SPI接口，RAM大于40 K单片机；第二无线通信模块采用具有UART接口、工作于,2.4 G的无线通信模块。
全文摘要
本发明公开一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置。该方法步骤是初始化，在多个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声节点；节点i发声，网络中其他节点计算出节点i相对于自身的坐标，并广播自身坐标；节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；节点f发声，网络中其他节点计算出节点f相对于自身的坐标，并广播自身坐标；网络中所有节点，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；完成相对定位，把节点f设置为节点i,转下个周期的相对定位。该装置根据本发明所述二维空间分布式声音相对定位方法设计。
文档编号G01S5/18GK102901949SQ20121038766
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月13日 优先权日2012年10月13日
发明者孟庆浩, 吴玉秀, 郭敬, 曾明 申请人:天津大学