基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法
【专利摘要】本发明基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法，涉及应用声波通过确定多个方向配合来定向的装置，包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该正三元三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，上位机为安装NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序，实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向，克服了现有声源定向装置受近场远场应用条件和声源所在方位角因素限制，难以实现对任意方位声源准确定向的缺陷。
【专利说明】基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明的技术方案涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定向的装置，具体地说是基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法。
【背景技术】
[0002]现今，随着仿生技术应用领域的不断扩展，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多领域的重要研究课题。可以说，听觉感知是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人-机-环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集系统中，听觉可以与视觉相配合弥补其视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定向声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定向装置在医疗、服务和军事等领域具有重要的理论意义和应用价值。
[0003]现有的小型麦克风声源定向装置，大都不能满足360度全方位、高精度的定向要求。一方面，受远场近场应用条件的限制，声源距离越近，存在误差越大，甚至严重偏离实际值；另一方面，因为定向计算中的近似操作，定向精度也受到很大的影响。CN201010191634.1报道的“一种声源定位装置”，采用正四面体的阵列结构，仍在很大程度上受近场远场应用条件，声源所在方位角等因素的限制，难以实现对任意方位声源的准确定向。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法，可以实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向，克服了现有声源定向装置在很大程度上受近场远场应用条件和声源所在方位角因素的限制，难以实现对任意方位声源准确定向的缺陷。
[0005]本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:基于主动旋转的声源定向装置，包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，所述听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该三元正三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，所述声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据米集模块构成，所述上位机为安装了 NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。
[0006]上述基于主动旋转的声源定向装置，所述三元正三角形结构是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm，所述三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风。
[0007]上述基于主动旋转的声源定向装置，所述声音放大模块采用集成运算放大器LM324，所述数据采集模块采用NI9215A数据采集卡。
[0008]上述基于主动旋转的声源定向装置，所述时延计算模型和方位角计算模型一起共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下:
[0009]第一步，设定三个麦克风的坐标:
[0010]麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S1、S2和S3, O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(X，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ = r,定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值O度~360度，假设S1到坐标系原点O的距离为a，则三个
麦克风的坐标分别为=S1(Oj), S2 (-V3 a/2,-a/2), S3 ( a/2,-a/2)；
[0011]第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计:
[0012]在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为1ms~30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2和麦克风S3的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值，具体方法如下:
[0013]假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为:
[0014]X1 (t) = B1S (t) +Ii1 (t) , X2 (t) = a2s (t_ τ 12)+n2 (t) (I)
[0015]上式中，Cii为声源信号的衰减系数，s⑴为声源目标信号，Xi (t)为麦克风采集的声音信号，Iii (t)为声源附加的噪声信号，τ 12为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延值。
[0016]将采集的声音信号Xi(t)，i = 1，2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号Xi ( ω ),其互功率谱函数为:
[0017]Gλ-ιΧη {ω) = Χλ{ω)Χη*{ω)C2)
[0018]其互相关函数为:
【权利要求】
1.基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于:包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，所述听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该三元正三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，所述声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，所述上位机为安装了 NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。
2.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于:所述三元正三角形结构是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm，所述三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风。
3.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于:所述声音放大模块采用集成运算放大器LM324，所述数据采集模块采用NI9215A数据采集卡。
4.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于:所述时延计算模型和方位角计算模型一起共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下: 第一步，设定三个麦克风的坐标: 麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点Sp S2和S3, O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(X，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ = r,定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角ct，α取值O度~360度，假设S1到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为=S1(Oj), S2 (-V3 a/2,-a/2), S3 (^3 a/2, -a/2)； 第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计: 在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为1ms~30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S2和麦克风S3的时刻与声音信号到达麦克风S1的时刻之间的时延值，具体方法如下: 假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为:
X1 (t) = B1S ( t)+Ii1 (t), X2 (t) = a2s (t- τ 12) +n2 (t) (I) 上式中，Cii为声源信号的衰减系数，s (t)为声源目标信号，Xi (t)为麦克风采集的声音信号，Iii (t)为声源附加的噪声信号，τ 12为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，gp时延值。 将采集的声音信号Xi (t)，i = 1，2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号\(ω)，其互功率谱函数为: Grr? = Ιι(ω)Ι2*(ω)(2) 其互相关函数为:
5.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于:所述麦克风阵列定向流程程序的流程如下: 初始定向α !—主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度一在麦克风阵列的新位姿下，重新进行定向测量，得到方位角度α2—判断Ci2是否满足定向精度？ i返回主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度；是输出Ct 2o
6.权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置的应用方法，其特征在于:由上位机控制能够主动旋转的伺服电机带动三元正三角形结构的麦克风阵列在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源进行准确定向，具体步骤如下: 第一步，根据定向误差为O的角度值，将平面平均分为6个区域，每个区域张角为60度，包含一个定向误差为O的角度值，且此角度值处于其所在区域的正中间位置，首先第一次定向方位角度Ci1，根据上述区域划分，判断\所处区域，找出本区域内的定向误差为O的角度值Θ !； 第二步，判断a i与9 i的大小，如果α !> Θ i，将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转I a r G1I的角度，如果α ^ Θ i，则将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转Ia1-Q11的角度； 第三步，三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α2，判断此时的方位角度是否满足精度要求，具体判断过程是，判断I Ci2-Q1I是否小于精度要求值，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，继续通过判断％与Q1的大小以及差值，确定下一步主动旋转的方向和角度；继续主动旋转，直到满足精度要求。
【文档编号】G01S3/802GK104035065SQ201410283375
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】孙昊, 陈萌, 杨鹏, 范智美, 徐勤奇 申请人:河北工业大学