一种基于音频增强的车辆声音警示装置的制作方法

1.本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种基于音频增强的车辆声音警示装置。


背景技术：

2.电动汽车行业得到了快速的发展，然而电动汽车并不具有发动机部件，发动机工作时产生的引擎声同样是电动汽车所不具备的，加之电动汽车整车的噪声也得到了极大的改善，因此在低速行驶过程中很难能够提醒过往的行人，这样会存在较大的安全隐患。
3.如何模拟发动机引擎声或其它警示声是电动汽车不可避免的研究方向，电动汽车行人提醒装置应运而生。
4.行人提醒装置是通过调用处理好的音频文件，将音频利用扬声器进行输出的装置。行人提醒装置的警示音频质量直接影响到过往行人的提醒效果，因而行人提醒装置中音频的质量显得尤为重要。
5.在实施本发明过程中，本发明人发现：以往大部分音频处理公司普遍借助第三方软件或采用人工处理方式对音频文件进行手工处理，其过程效率低下，并且长时间反复人工检测还会伴随操作者听觉损伤。
6.目前行人提醒装置仅局限于行人提醒功能，功能单一、且不完善，对于隔音效果较佳的电动汽车来说还出现了乘员提醒例如车外叫醒等新需求，因此称之为
ꢀ“
行人提醒装置”过于局限。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于一种基于音频增强的车辆声音警示装置，其利用内置的音频处理模型对音频文件做音频增强，无需人工干预，同时实现了警示音量根据车速进行定量输出，并对装置的构造进行了改进，使其具备防水、防尘和便捷安装等功能。
8.为此，本发明提供了一种基于音频增强的车辆声音警示装置，包括音腔壳体、扬声器、密封条、下壳体、固定支架、对插头、以及控制系统。
9.所述扬声器镶嵌至音腔壳体中，并将扬声器边沿处覆盖一层隔离硅胶用于防水，音腔壳体为镂空结构用于透气提高音频音质，控制系统置于下壳体中，并与扬声器连接，下壳体通过固定支架固定在电动汽车的指定位置，音腔壳体与下壳体间垫入密封条用于防水，所述对插头为8通道引脚接口，用于提供电能和进行通信，并且可拔插使用，所述控制系统电路板包括微控制模块、音频处理模块、通信模块和检测模块，用于将音频处理模块处理后的纯净音频通过扬声器播放，实现电动汽车行人提醒。
10.所述音频处理模块利用音频处理模型对音频文件做音频增强处理，该音频处理模型包括音频特征提取、噪声检测和噪声处理三部分，其中，通过梅尔频谱倒谱系数mfcc特征提取方法来提取音频的特征数据，并采用densednn深度神经网络模型进行噪声检测，采用denoisegan生成式对抗神经网络模型用于噪声处理。所述检测模块用于采集车辆状态信息，分为车门状态检测、点火状态检测、行驶方向状态检测以及车速检测，采集的这些车辆
状态信息用于判断电动汽车运行状态如是否启动、车门是否打开、电动汽车行驶方向。所述微控制模块用于通过通信模块与车辆车载系统进行can通信，接收并处理由检测模块获取的车辆状态信息，并对车辆运行状态进行判断，从而控制相应警示音源输出，并且内置了警示音量与车速的关系模型，从而使车辆声音警示装置的警示音量根据车速信息进行定量输出。
11.进一步地，上述关系模型是根据最小二乘法曲线拟合实验数据样本所得，其中，通过搭建的车辆声音警示装置警示音量采集系统对车辆声音警示装置在不同车速下的警示音量进行多次采集，并对采集过程中的环境噪声因素进行处理，从而得出实验数据样本。
12.进一步地，上述关系模型如下：，其中，为拟合处理后的车辆声音警示装置警示音量声压值，s为车速，0km/h≤s≤30km/h。
13.进一步地，上述音频文件在采用梅尔频谱倒谱系数mfcc特征提取方法提取音频特征数据后，对特征数据做均值化处理，得出的一维数组作为该音频的特征数据，然后采用densednn深度神经网络模型对均值化处理后的音频特征数据进行训练用于噪声检测，最后采用denoisegan生成式对抗神经网络模型拟合出降噪后的音频数据，实现噪声处理，其中均值化处理的数学模型为：，其中，y(x)为均值化处理后的一维音频特征数据，bi为经特征提取的音频特征数据，n为均值阶数，其中i=1,2,3,
…
n。
14.进一步地，上述检测模块中行驶方向的判断通过部署在汽车转动轴的位置传感器进行判断，位置传感器获取车轮转动信号，微控制模块对信号进行编码，从而获取车辆行驶的方向，车速状态的检测是通过霍尔式车速传感器进行检测，该传感器安装在电动汽车变速器输出轴上，根据车速计算的数学模型，从而计算获得车速。
15.进一步地，上述控制系统通过监测车门状态、点火状态、行驶方向状态以及车速状态来输出相对应的警示音源，微控制模块选用单片机，系统上电后，单片机的端口进行初始化，单片机接收车门开关、点火开关、行驶方向以及车速信号进入系统主程序，并对状态信息进行判断，通过can通信与车辆车载系统进行通信，分别调用音频处理模块处理完后存储在flash存储器中的纯净音频，进而完成相关警示音频的输出。
16.本发明其利用音频处理模块对音频文件进行特征提取、噪声检测和噪声处理，得到纯净的音频存储在flash存储器中，并通过can通信方式调用处理后的音频，最后通过功放模块经扬声器进行警示音频播放。同时，通过对电动汽车车辆状态的实时监测，结合单片机控制系统内置的车辆声音警示装置警示音量与车速的关系模型，利用关系模型直接计算警示音量或将不同车速其对应的警示音量预存到数据库中，从而车辆声音警示装置警示音量会根据车速传感器检测出来的车速进行定量输出。
17.本发明还对车辆声音警示装置的构造进行了改进，使其具备防水、防尘和便捷安装等功能。
18.本发明的车辆声音警示装置除了用于行人提醒场合外，其架构还便于升级而用于其他场合，例如将获取的外部声音通过音频处理模块处理后通过车内音箱以控制音量的方式播放，实现叫醒功能。
19.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
20.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的基于音频增强的车辆声音警示装置的结构示意图，其中，1-音腔壳体，2-扬声器，3-密封条，4-下壳体，5-固定支架，6-对插头，7-控制系统；图2为本发明音频处理的流程图；图3至图6为音频处理前后的信号波形图、频谱图，其中图3为原始音频信号的波形图，图4为原始音频信号的频谱图，图5为去噪处理后的音频信号波形图，图6为去噪处理后的音频信号的频谱图；图7为车辆声音警示装置警示音量-车速关系曲线图；图8为本发明实施例的车辆声音警示装置的结构框图；图9为本发明控制流程图。
具体实施方式
21.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
22.如图1所示，本发明提供了一种基于音频增强的车辆声音警示装置，该装置的扬声器2镶嵌至音腔壳体1中，并将扬声器2边沿处覆盖一层隔离硅胶用于防水，音腔壳体1为镂空结构用于透气提高音频音质，控制系统7置于下壳体4中，并与扬声器2连接，下壳体4通过固定支架5固定在电动汽车的指定位置，音腔壳体1与下壳体4间垫入密封条3，通过音腔壳体1的压缩密封条3实现装置的组合，同时满足了装置防水的要求，最后控制系统7将音频处理模块处理后的音频通过扬声器2播放，从而达到电动汽车行人提醒的目的。
23.对插头6为8通道引脚接口，既为装置提供电能又能进行通信，并且可拔插使用，进而方便本装置安装在电动汽车上。
24.车辆声音警示装置的警示音频质量直接影响到过往行人的提醒效果，因而车辆声音警示装置中音频的质量显得尤为重要。以往大部分音频处理公司普遍借助第三方软件或采用人工处理方式对音频数据进行手工处理，其过程不仅效率低下，并且长时间反复人工检测还会对操作者的听觉造成一定程度的损伤。
25.由于音频信号单帧间隔中的连续信号难以能够捕捉到细小的声纹变化，加之音频信号中的噪声信号难以辨别，所以音频处理一直都是令人头疼的问题。
26.音频信号大多数为单声道或多声道的一维数据，在音频数据中存在噪声的干扰，如何能够准确拟合出纯净的音频数据特征显得十分重要。而随着深度学习技术的理论发展以及硬件性能的提高，良好的模型结构能够有效地检测并优化噪声数据。
27.如图2所示，在音频数据预处理的过程中，由于卷积神经网络不能对音频数据进行直接处理，本发明选择梅尔频率倒谱系数mfcc特征提取方法来提取单个音频序列的特征数据，且由于均值化操作能够将同一音频特征数据中的所有信息集中到一个点上，因此通过mean operation方法对特征数据做均值化处理，得出的一维数组作为该音频的特征数据。
28.对于不同特征提取出的音频特征数据进行mean operation处理后，其音频特征数据均被压缩至单一数值，从而组成音频数据的特征集合。其中，mean operation处理方法的数学模型为：
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
（1）其中，y(x)为均值化处理后的一维音频特征数据，bi为经特征提取的音频特征数据，n为均值阶数，其中i=1,2,3,
…
n。
29.原始音频数据经过特征提取并处理得到一维数值型特征数据，首先对音频特征数据进行预处理，通过densednn深度神经网络模型对音频特征数据进行训练，同时调整超参数并优化模型结构，从而实现音频噪声检测。
30.然后将音频数据采样频率进行下调处理后，先冻结生成器执行判别器进行训练，再冻结判别器执行生成器进行训练，重复训练过程，最后通过denoisegan生成式对抗神经网络模型并拟合出纯净的音频数据实现噪声处理。
31.如图3至图6所示，经过音频处理模型处理的音频信号能够在一定程度上实现噪声与纯净音频的分离，同时也保留了纯净音频信号的主要特征，减少了信号的异常波动，其模型降噪效果十分明显。
32.将得到的纯净的音频样本存储在控制系统的flash存储模块中，当can通信调用音频样本，则纯净的音频通过功放模块经扬声器播放出来。
33.对于车辆声音警示装置而言，装置能够实时获取车辆的状态信息是十分重要的，其中就包括车门状态、点火状态、行驶方向状态以及车速状态等信息。通过车辆声音警示装置控制系统中的检测模块能够实时检测到这些信息，其中，车速的计算主要通过微控制模块的外部中断以及内部定时器功能来实现的。在定时中断函数中，通过外部中断计算到的脉冲次数计算出相对应的频率值，再通过车速传感器车轮转速比换算成车轮转数，利用车轮半径从而计算得到车速。
34.假设车轮旋转1周，车数传感器输出b个脉冲信号，且设在t时间内计数器检测到f个脉冲信号，设单位时间车轮转数为a，车轮半径为r，则车速计算模型为：
‑‑‑‑‑‑‑
（2）。
35.车辆声音警示装置在使用过程中，由于其对警示音量的要求有一定限制性，因此需要建立一个能够满足国家标准、新能源汽车行业规定的模型用于警示音量的定量输出，同时又能够增强行人提醒警示的效果。
36.本发明通过搭建车辆声音警示装置警示音量数据采集系统来获取不同车速下其对应输出的警示音量。利用can通信给装置进行通信，同时将不同车速下的报文信息发送至装置控制系统内，控制系统根据车速信息输出相对应警示音量。由于车辆声音警示装置在工作过程中存在环境噪声以及自身壳体阻挡等干扰因素，这将大大降低了采集数据的准确性。本发明通过在不同车速下对装置警示音量进行多次采集，并且修正由环境影响的试验数据，从而确保所建立的关系模型的准确性。获取有效的数据样本后，利用最小二乘法多项式拟合方法对车辆声音警示装置警示音量与车速s的关系进行数学模型的建立。将修正后
的警示音量和车速的数据在时域范围内进行对应，并且选择不同车速下其对应的车辆声音警示装置警示音量作为数据样本中的一个有效数据点，并且在matlab中对选取的数据点进行曲线拟合，得到警示音量与车速的关系曲线。
37.上述拟合曲线表达式：
ꢀ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
（3）其中，为拟合处理后的车辆声音警示装置警示音量，n为多项式拟合的阶数，am为多项式待定系数，其中m=0,1,
…
,n。
38.通过对比不同阶数最小二乘法多项式拟合的效果与精度，选择三阶多项式拟合表达式作为反映车辆声音警示装置警示音量与车速之间关系的多项式数学模型。
39.经过验证，车辆声音警示装置警示音量与车速关系的较佳数学模型如下：，0km/h≤s≤30km/h
‑‑‑‑‑
（4）如图7所示，本发明提供了一种车辆声音警示装置在警示作业时其警示音量与车速之间的关系曲线，整体分为三个部分，车速在0km/h～22km/h阶段，车辆启动并加速行驶，车辆声音警示装置快速响应并播放警示音频，且警示音量随车速的增加而增大；此阶段车辆低速行驶过程中，行人提醒警示音量能够达到最大，提醒效果最佳；在22km/h～30km/h阶段，车辆仍处于低速行驶，而警示音量也仍处于较高水平输出，能够持续保证行人提醒的效果；当车速超过30km/h时，车辆处于较高车速行驶，车辆声音警示装置停止工作，不再进行警示音频输出。
40.利用建立的车辆声音警示装置警示音量与车速的关系数学模型与关系曲线，对不同车速下的警示音量进行整理并存储到单片机控制系统中，通过控制系统中检测模块对车辆状态的信号采集与处理实现对车辆声音警示装置警示音量的预测和控制，达到警示音量定量输出目的。
41.如图8所示，本实施例提供了一种基于音频增强的车辆声音警示装置。音频文件经过音频处理模块里的降噪模型进行处理，输出纯净的音频样本存储至控制系统flash存储模块中。控制系统微控制模块根据can通信模块实时以报文形式传输车辆状态信息进行判断处理，并调用处理后的纯净音频，经功放模块进行警示音频播放。车辆状态信息通过检测模块进行信息采集，车门与点火状态检测通过光电隔离电路进行开关量信号的输入监测，所述检测模块中行驶方向的判断通过部署在汽车转动轴的位置传感器进行判断，位置传感器获取车轮转动信号，微控制模块对其进行编码，根据编码信息判断车辆行驶的方向，而车速检测通过霍尔式车速传感器进行车速采集，传感器安装在电动汽车变速器输出轴上，并且根据计算模型得出车速。微控制模块内置车辆声音警示装置警示音量与车速的关系模型，当检测到车速信号时，控制系统根据关系模型定量输出对应的警示音频。电源模块持续为装置提供电能。
42.在使用过程中，具体流程如下：步骤s1，将车辆声音警示装置通过对插口与车载系统进行连接，同时为装置提供电能和通信，车载屏幕实时显示车辆状态信息。
43.步骤s2，打开车辆车门，装置控制系统检测到开门信号，通过can通信实时向车载系统传输车辆状态信息，装置开始循环输出警示音源1，随即驾驶员进入车内并关门点火，
关门瞬间警示音源1不再进行播放。车辆启动，当控制系统检测到点火信号，输出三声警示音源2，随后不再进行警示。
44.步骤s3，位置传感器检测车轮转动信号，单片机对其进行编码获取车辆行驶方向信息，车辆前进，装置循环输出警示音源4；车辆后退，装置则循环输出警示音源3。
45.步骤s4，通过霍尔式车速传感器对车速信号进行采集，经过换算计算得出车速，然后单片机内置车辆声音警示装置警示音量与车速间的关系模型，微控制模块例如单片机根据不同车速状态进行警示音源4音量的定量输出。
46.如图9所示，本实施例的车辆声音警示装置在使用时，通过对插口给装置进行供电并通信，控制系统上电后，单片机进行系统初始化操作，并进入主控制程序。然后检测模块传感器采集信号开始工作，单片机获取车门状态、点火状态、行驶方向状态以及车速状态的信息，单片机通过检测信息判断车辆的运行状态，并通过can通信以报文形式发送车辆运行信息，从而输出相对应的控制结果。当光电隔离电路进行开关量信号的输入监测时，单片机对车辆状态进行判断，车门开启，单片机通过通信模块调用存储在flash存储模块中的警示音源1，并利用功放模块进行循环播放输出，车门关闭则再次实时检测车辆状态。车辆点火启动，当单片机获得车辆点火输入信号时，同样在存储模块中调用警示音源2，并只有三声警示。车辆启动行驶，位置传感器获取车轮转动信号，单片机对信号进行判断处理，车辆倒车行驶则循环输出警示音源3，车辆前进行驶，则霍尔式车速传感器开始获取车速信号。单片机根据系统内置的警示音量与车速间的关系模型，在存储模块中调用警示音源4，并随着车速的变化音源4音量随之变化，循环进行输出播放。当车辆行驶车速超过30km/h，系统停止工作，车辆声音警示装置不再进行警示。
47.在本发明中，通过在控制系统中增加音频处理模块比起利用第三方软件或手动处理的方法，其去噪准确性高，提高了信号识别精度，且去噪效率高。同时，结合所建立的车辆声音警示装置警示音量与车速间的关系模型，能够在满足国家标准、车规要求的前提下，大大提高装置提醒行人的警示效果，具有更高的安全性能。
48.本车辆声音警示装置除了行人提醒功能外，还可升级而作其他用途，例如与电动汽车外部拾音、和/电动汽车内部拾音器电连接，与车内音箱通信连接。对电动汽车外部的拾音器获取的声音通过音频处理模块处理后通过车内音箱以控制音量的方式输出，实现诸如在车辆隔音效果较佳时外部叫醒功能，或者对电动汽车内部的拾音器获取的声音通过音频处理模块处理后以提高音量方式通过装置扬声器播放。
49.以上仅为本发明示意性实施例的说明，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。