CN111077497A

CN111077497A - 一种用于声源定位的装置及方法

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Publication number: CN111077497A
Application number: CN201911396317.0A
Authority: CN
Inventors: 王彩霞; 杨思琦; 田杨萌; 叶倩; 张子恒
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-04-28

Abstract

本发明实施例公开了一种用于声源定位的装置及方法，包括壳体和设置在壳体上的声音传感器子阵列、信号采集设备和运行定位算法的主机，所述壳体设置为正N棱锥形状，每个所述壳体的侧面均固定一个声音传感器子阵列。所述信号采集设备对信号进行采样、量化并记录到主机上。所述运行定位算法主机，利用其上算法程序指令和记录的音频数据，实现一种定位算法步骤。本声源定位的装置及方法中，多个声音传感器子阵列均集合在同一正棱椎上，在麦克风阵列声源定位方案中提供了更完备的搭建方式；利用子阵列之间的固有夹角，区分不同子阵列所定的来波方向，为声源定位提供新方法；波束形成定位算法在远场声源定位中，能够有效抑制噪声干扰，提高定位精度。

Description

一种用于声源定位的装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及声源定位技术领域，具体涉及一种用于声源定位的装置及方法。

背景技术

大自然中，对于声源位置的识别和判断是人和动物一项生存的基本技能。近年来科技的迅速发展使运用技术手段实现对声源位置的精准定位成为可能，这种技术将广泛应用于鸣笛追踪、机器人技术、声音监听、声控技术等。现有技术中通过多个麦克风形成的阵列，对声音信号进行采集，得到一组或多组声压数据，将采集到的数据进行算法优化和分析，从而得到声源位置的准确信息。目前有三类基于麦克风阵列的声源定位算法，一是基于波束形成(Beam Forming，简称BF)的方法；二是基于高分辨率谱估计的方法；三是基于声达时延差(TDOA)的方法。其中TDOA方法因其设备简单，不受相位模糊影响的优点而被广泛应用。相比于TDOA技术，波束形成算法是基于阵列传感器上各阵元接收的信号，算法为阵列输出选择适当的加权矢量以补偿每个阵列元素的传播延迟，使得阵列输出可以在某个期望方向上以相同方向叠加，从而实现对原始信号的方向定位，有更好的精度和适用范围；反过来导致阵列在该方向上产生主瓣束，并在某个方向上可以对干扰进行一定程度的抑制。实验表明不同的麦克风阵列搭建形式对定位结果会产生一定的影响。因此麦克风阵列的搭建成为技术方案中需要解决的关键部分。在其他定位方案中多为一维阵列或二维阵列，缺乏三维阵列这一新的阵型尝试。并且在二维阵列中，分布式阵列在远场测量中应用较多，在其他分布式阵列中，声音传感器子阵列之间需要有一定距离以区分不同子阵列定的来波方向，从而达到定位的目的。这种子阵列相对较远的情况对设备摆放和携带都会造成一定的不便。与传统的分布式阵列相比，本发明设计的紧致型阵列解决了这一问题。另外波束形成定位算法在远场定位中能够有效抑制噪声，提高定位精度。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种用于声源定位的装置及方法，以解决现有技术中由于传统分布式子阵列中传感器之间距离较远而导致的摆放和携带不方便的问题，同时运用波束形成算法在远场定位中能有效抑制噪声的特性，提高定位进度。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，一种用于声源定位的装置，包括壳体和设置在壳体上的若干个声音传感器子阵列、用于进行声音信号采集的信号采集设备与用于处理声音信号和运行定位算法的主机，所述壳体设置为正N棱锥形状的壳体，所述壳体包括一个正N边形的底面和N个侧面，每个所述壳体的侧面均固定一个声音传感器子阵列。

进一步地，每个所述声音传感器子阵列包括若干个声音传感器，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器的数量相同，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器构成的形状相同，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器位于所述各声音传感器子阵列中的位置相同。

进一步地，所述声音传感器子阵列中所述声音传感器构成的形状为对称形状。

进一步地，所述声音传感器设置为麦克风。

进一步地，所述麦克风的型号为40PH丹麦Gras的传感器。

进一步地，还包括用于进行声音信号采集的信号采集设备与用于处理声音信号和运行定位算法的主机，每个所述麦克风经由信号采集设备与主机连接。

根据本发明实施例的第二方面，一种用于声源定位的定位算法，包括以下步骤：

各声音传感器子阵列上的所有声音传感器拾取同一时间、同一声源的音频信号并经信号采集设备采集数据，记录到主机之上；

主机对采集的音频信号数据进行加权计算，所述声音传感器采集的数据的权值取决于所述声音传感器接收信号的相位延迟；

主机对加权后的各个声音传感器信号数据进行求和计算，每个声音传感器子阵列会计算得出一个来波方向；

对所有声音传感器子阵列计算得出的来波方向进行最小二乘法计算，得出声源方向和位置。

根据本发明实施例的第三方面，一种用于声音定位的方法电子设备，包括：

存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如一种用于声音定位的方法所述的步骤。

根据本发明实施例的第四方面，一种用于声音定位的方法计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如一种用于声音定位的方法的步骤。

本发明实施例具有如下优点：由于多个声音传感器子阵列均集合在同一正棱椎上，可以在麦克风阵列进行声源定位的方案中提供更加完备的阵列搭建方式，利用子阵列之间固有的夹角，区分不同子阵列所定的来波方向，为声源定位提供新的思路和方法，同时实现了一种更加便捷、占用面积小的声源定位装置；另外波束形成定位算法在远场声源定位中，能够有效抑制噪声干扰，提高定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种用于声源定位的装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于声源定位的装置的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种用于声源定位的方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的一种用于声源定位的方法中所用到的声源定位算法步骤流程图；

图5为本发明实施例提供的一种用于声源定位的方法中所用到的声源定位整体流程图。

图中：1、壳体；2、中心传感器；3、边缘传感器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例：一种用于声源定位的装置，如图1和图2所示，包括壳体1和设置在壳体1上的声音传感器子阵列，壳体1在本实施例中设置为正棱锥形状的壳体1，壳体1包括一个正N边形的底面和N个侧面，声音传感器子阵列固定在壳体1的侧面上，壳体1的每个侧面均固定有相同数量的声音传感器，在本实施例中，声音传感器设置为麦克风，用于进行声音拾取的动作。

在本实施例中，提供两种具体的声音传感器阵列，为了便于记录麦克风的位置坐标，分别选用一个侧面为全等的等腰直角三角形的正三棱锥和一个侧面为全等的正三角形的正四棱锥的壳体1。在本实施例中，每个侧面上放置4个声音传感器，其中4个声音传感器分别包括一个中心传感器2和三个边缘传感器3。

在正三棱锥的壳体1上，每个侧面放置4个麦克风。在每个侧面中以侧面的等腰直角三角形的重心为中心，放置第一个麦克风，该麦克风则为三棱锥壳体1一面上的中心传感器2，其他三个麦克风固定在中心传感器2为重心的等边三角形的顶点上，即中心传感器2固定设置在每个侧面的重心上，三个边缘传感器3以中心传感器2为重心围成等边三角形。

在正四棱锥的壳体1上，每个侧面放置4个麦克风，在每个侧面中以侧面的等边三角形的重心为中心，放置第一个麦克风，该麦克风则为四棱锥壳体1一面上的中心传感器2，其他三个麦克风在以第一个麦克风为重心的边长的等边三角形的顶点上，即中心传感器2固定设置在每个侧面的重心上，三个边缘传感器3以中心采集装置2为重心围成等边三角形。上述的这种设置由于多个麦克风均集合在同一正棱锥上，可以在麦克风阵列进行声源定位的方案中提供更加完备的阵列搭建方式，为声源定位提供新的思路和方法，同时实现了一种更加便捷、占用面积小的声源定位装置，提供基于麦克风阵列的声源定位方法中一种新的阵列形式，旨在探究是否可以通过改变阵型来提高声源定位的准确性，减少误差，同时所用的三维阵列综合了分布式阵列和紧致型阵列的优点，可以将不同侧面得到的数据作为分布式阵列进行分析，同时也避免了分布式阵列造成的设备摆放困难，减少了设备占用空间，正棱锥的选用，保证正棱锥的底面用于固定，多个侧面设置麦克风子阵列能够从多个角度来判定声音的来波方向，进而判定声源的位置，同时，相同的侧面排布的设置，能够保证计算更加准确、且更加简单。

其中，每个麦克风通过连接线经由信号采集设备与主机连接，正三棱锥壳体1形成12个声音信号通道，正四棱锥壳体1形成16个声音信号通道。在实际应用中，也可以根据需要适当增加每个面上的麦克风个数，但出于每个侧面采集声音信号的一致性，在同一个声音采集壳体1上，每个侧面的麦克风个数和麦克风形成的形状相同。

其中声源定位装置的流程，参照图3所示，可以采用图4所示的波束形成定位算法进行分析处理，得出声源位置信息，具体包括以下步骤：

S1、装置中所有声音传感器拾取声源发出的音频信号；

S2、与声音传感器相连接的信号采集设备对拾取的音频信号进行采样、量化，转换为数字信号，并记录到主机上；

S3、经由主机上的算法程序指令和记录的音频数据，实现波束形成定位算法；

S4、得出声源位置信息。

本发明实施例提供的一种用于声源定位的方法中所用到的声源定位算法流程，参照图4，具体包括以下步骤：

S1、各声音传感器子阵列上的所有声音传感器拾取同一时间、同一声源的音频信号并经信号采集设备采集数据，记录到主机之上；

S2、主机对采集的音频信号数据进行加权计算，所述声音传感器采集的数据的权值取决于所述声音传感器接收信号的相位延迟；

S3、主机对加权后的各个声音传感器信号数据进行求和计算，每个声音传感器子阵列会计算得出一个来波方向；

S4、对所有声音传感器子阵列计算得出的来波方向进行最小二乘法计算，得出声源方向和位置。

其中，在远场定位时，在传统的分布式阵列中，声音传感器子阵列之间需要有一定距离以区分不同子阵列定的来波方向，从而达到定位的目的。这种子阵列相对较远的情况对设备摆放和携带都会造成一定的不便。本发明设计的紧致型阵列解决了这一问题。同时波束形成定位算法能够有效抑制噪声干扰，提高定位精度。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种用于声源定位的装置，其特征是：包括壳体(1)和设置在壳体(1)上的若干个声音传感器子阵列、用于进行声音信号采集的信号采集设备和用于信号处理和运行定位算法的主机，所述壳体(1)设置为正N棱锥形状的壳体(1)，所述壳体(1)包括一个正N边形的底面和N个侧面，每个所述壳体(1)的侧面均固定一个声音传感器子阵列。

2.根据权利要求1所述的用于声源定位的装置，其特征是：每个所述声音传感器子阵列包括若干个声音传感器，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器的数量相同，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器构成的形状相同，每个所述声音传感器子阵列中所述声音传感器位于所述各声音传感器子阵列中的位置相同。

3.根据权利要求2所述的用于声源定位的装置，其特征是：所述声音传感器子阵列中所述声音传感器构成的形状为对称形状。

4.根据权利要求2所述的用于声源定位的装置，其特征是：所述声音传感器设置为麦克风。

5.根据权利要求4所述的用于声源定位的装置，其特征是：所述麦克风的型号为40PH丹麦Gras的传感器。

6.根据权利要求5所述的一种用于声源定位的装置，其特征是：还包括用于进行声音信号采集的信号采集设备与用于处理声音信号和运行定位算法的主机，每个所述麦克风经由信号采集设备与主机连接。

7.一种用于声源定位的方法，其特征是：包括以下步骤

8.一种用于声音定位的方法电子设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求7所述的方法。

9.一种用于声音定位的方法计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7所述方法的步骤。