本发明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。
背景技术：
：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发明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，而本发明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。技术实现要素：本发明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；本发明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。本发明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为上述第一步中设置的声源1、声源2和声源3与上述第一步中设置的第i个待定位麦克风所构成的四面体的体积，由上述四面体体积公式(3)-(5)得到上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中z的坐标，将其带入公式(6)中，解得上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中x,y的坐标，由此计算出待定位麦克风的空间位置。上述一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，所述麦克风信号处理单元为型号不限的微处理器，用于处理麦克风采集到的声音信号，计算待定位麦克风的位置坐标。本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所具有的突出的实质性特点和显著进步如下：(1)本发明方法利用声源信号产生及处理设备、参考麦克风和多个待定位麦克风，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。(2)与现有技术cn103439689b公开的一种分布式麦克风阵列中麦克风位置估计系统相比，本发明方法的实质性特点或区别在于：一是两者的计算方式不同，cn103439689b采用三角形质心计算待定位麦克风位置，本发明采用四面体体积法计算待定位麦克风位置；二是两者定位结果的维度不同，cn103439689b是在二维平面内完成的定位，本发明方法是在三维空间内完成的定位。现有技术cn103439689b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，本发明方法完全克服了现有技术cn103439689b所存在的缺陷。(3)与现有技术cn105388459a公开的分布式麦克风阵列网络的鲁棒声源空间定位方法相比，本发明方法的实质性特点或区别在于：一是两者的计算方式不同，cn105388459a采用计算声源与全部中心点的时间差矢量间的距离和，找到最小距离和的对应中心点，确定待定位麦克风位置，本发明采用四面体体积法计算待定位麦克风位置；二是两者的麦克阵列排放位置不同，cn105388459a采用的麦克风阵列在三维空间内排列，本发明采用的麦克风风阵列在二维平面内排列。现有技术cn105388459a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，本发明方法完全克服了现有技术cn105388459a所存在的缺陷。(4)本发明方法仅选择三个不同频带的声音信号作为三个声源的发声信号采用，即可实现麦克风位置的空间估计，大大降低了定位装置的成本。(5)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，实时地对声音信号进行处理，并将数据保存用于离线处理。(6)本发明方法采用的四面体体积法，在估测四面体体积的过程中，理论上不会出现无解或多解得现象，具有较小的计算量和较高的精度。附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明中的声源分布单元及参考麦克风的位置排放示意图。图2是本发明中的待定位麦克风的定位计算方法示意图。图3是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置仿真结果图。图4是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在x轴上的位置误差示意图。图5是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在y轴上的位置误差示意图。图6是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在z轴上的位置误差示意图。具体实施方式图1显示本发明中的声源分布单元和参考麦克风的位置排放，其中，a、b、c分别为三个频率不同的声源，z为参考麦克风，位置排放无特殊要求，但需在二维平面，并构成四边形。图2显示本发明中的待定位麦克风的定位计算方法。图中，o为待定位的麦克风，a、b、c分别为三个频率不同的声源，b、a、f分别为待定位麦克风o到声源a、声源b、声源c的距离，c、d、e分别为声源a与声源b，声源a与声源c，声源b与声源c之间的距离。通过体积计算的方式可以求出待定位麦克风o的空间位置，且不会出现多解或者无解的情况。实施例本实施例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，上述麦克风信号处理单元为型号不限的微处理器，用于处理麦克风采集到的声音信号，计算待定位麦克风的位置坐标；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为上述第一步中设置的声源1、声源2和声源3与上述第一步中设置的第i个待定位麦克风所构成的四面体的体积，由上述四面体体积公式(3)-(5)得到上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中z的坐标，将其带入公式(6)中，解得上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中x,y的坐标，由此计算出待定位麦克风的空间位置。实施例2本实施例为本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置的仿真试验。图3显示本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置仿真测试时的待定位麦克风、参考麦克风与声源分布单元中的声源分布图。图中，三个频率不同的声源坐标分别为(0,1，0)m、(1,1,0)m、(1,0,0)m，参考麦克风的坐标为(0,0,0)m，区域内有10个待定位麦克风，其真实位置和计算位置由表1可见。表1待定位麦克风位置计算结果待定位麦克风编号麦克风实际位置麦克风计算位置1(3.49,5.39,4.21)(3.47,5.28,4.21)2(1.65,2.54,2.31)(1.64,2.55,2.33)3(6.56,3.45,2.32)(6.59,3.44,2.36)4(1.08,7.91,1.89)(1.11,8.01,1.84)5(3.52,6.32,4.54)(3.55,6.34,4.53)6(2.74,4.54,7.44)(2.77,4.56,7.43)7(1.55,3.21,3.69)(1.56,3.23,2.65)8(5.53,2.32,4.32)(5.59,2.29,4.30)9(2.22,4.56,5.26)(2.23,4.57,5.31)10(2.32,6.54,9.32)(2.34,6.56,9.33)图4是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在x轴上的位置误差示意图，其显示图3中所示的10个待定位麦克风的实际位置与计算位置在x轴上的位置误差。图5是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在y轴上的位置误差示意图，其显示图3中所示的10个待定位麦克风的实际位置与计算位置在y轴上的位置误差。图6是本发明中的待定位麦克风的实际位置与计算位置在z轴上的位置误差示意图，其显示图3中所示的10个待定位麦克风的实际位置与计算位置在z轴上的位置误差。。通过本实施例的仿真试验看到，采用本发明的声达时间差法及几何体积计算的方式，能够得到待定位麦克风的较精确的空间位置。当前第1页12