基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置及方法，裝置包括供電模塊、兩個結(jié)構(gòu)相同的麥克風(fēng)陣列、控制解析模塊、數(shù)據(jù)采集卡和上位機，每個麥克風(fēng)陣列由一個固定麥克風(fēng)和一個與固定麥克風(fēng)相對距離保持不變的可移動麥克風(fēng)構(gòu)成；定位方法利用麥克風(fēng)的移動搜索時延最大值，快速地確定聲源目標(biāo)的角度有效信息，采用三角幾何關(guān)系準(zhǔn)確測量出聲源目標(biāo)的距離并快速轉(zhuǎn)化出聲源目標(biāo)的坐標(biāo)。本發(fā)明可廣泛用于室內(nèi)近距離固定或慢速移動的聲源目標(biāo)快速、精確的三維空間定位。
【專利說明】基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲源定位領(lǐng)域，特別是一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝 置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著陣列信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，聲源定位技術(shù)日益成熟。聲源定位技術(shù)能夠 彌補視覺定位角度有限且無法穿透非透光障礙物的缺陷，并且可以提取聲音信號中的重要 特征。利用麥克風(fēng)陣列計算聲源方位是聲源定位的被動方法，目前已在移動機器人導(dǎo)航、視 頻會議、語音增強與識別等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
[0003] 目前利用麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法主要有兩大類：一類是基于聲音信號到達(dá)麥 克風(fēng)的方向（DOA)，此類別中包括對各麥克風(fēng)收到的信號進行濾波加權(quán)并求和求取最大功 率波束的方向（即為聲源大致方向）的可控波束形成（BS)聲源定位方法（如SRP-PHAT 算法（見文獻 I :Dibiase J. A High-Accuracy, Low-Latency Technique for Talker Location in Reverberant Environments[D]. Brown University, Providence, Rhode Island, USA, 2000.)、最小方差無畸變響應(yīng)波束形成法（見文獻2 :Brandstein M S，Ward E D B. Microphone Arrays: Signal Processing Techniques and Applications[M]. Berlin:Springer-Verlag, 2001.))和根據(jù)各麥克風(fēng)收到信號之間的相關(guān)矩陣計算信號 方位角的高分辨率頻譜估計聲源定位方法（如近場二維MUSIC算法（見文獻3 =Asano F, Asoh H, Matsui T. Sound source location and separation in near field [J] · IEICE Transactions on Fudamentals, 2000, E83-A (11) : 2286-2294.);另一類是基于聲音信號 到達(dá)麥克風(fēng)陣列的時延（TDOA)，該類方法根據(jù)各麥克風(fēng)收到信號的時間差算出聲源距各 麥克風(fēng)的距離差，再用幾何或其他方法測出聲源的位置（如廣義互相關(guān)時延估計法（見文 獻4 :Knapp C H, G C Carter. The generalized correlation method for estimation of time delay[J]. IEEE Trans. Acoust, speech, Signal Processing, 1976,24(8):320-327.)、 自適應(yīng)特征值分解算法（見文獻 5 :Huang Y, Benesty J, Elko G W. Adaptive eigenvalue decomposition algorithm for real time acoustic source location system[C]. IEEE International Conference on Acoustic, Speech, Signal Processing. Seatle, WA, USA, 19 98, 2:937-940.))。
[0004] 上述方法主要利用固定麥克風(fēng)陣列進行聲源定位，所需麥克風(fēng)的數(shù)量較多，且現(xiàn) 有的裝置和方法主要定位聲源的角度，聲源的距離不能夠很有效地測量。此外，現(xiàn)有的定位 技術(shù)對于環(huán)境噪聲及混響的抑制作用有限，導(dǎo)致在高噪聲、混響環(huán)境下定位精度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置及方法， 能夠克服固定麥克風(fēng)陣列所需麥克風(fēng)數(shù)量多的問題，有效地利用三角幾何關(guān)系快速測出聲 源目標(biāo)位置，提高了定位精度和魯棒性。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位 裝置，包括第一麥克風(fēng)陣列、第二麥克風(fēng)陣列、控制解析模塊、數(shù)據(jù)采集卡、供電模塊和上位 機；
[0007] 第一麥克風(fēng)陣列包括一個第一固定麥克風(fēng)和一個第一可移動麥克風(fēng)，第一固定麥 克風(fēng)設(shè)置在圓形軌道圓心處，圓形軌道所在平面與地面垂直，第一移動麥克風(fēng)設(shè)置在圓形 軌道上，與第一固定麥克風(fēng)相對距離保持不變；所述圓形軌道通過支架設(shè)置在底座上，圓形 軌道圓心處設(shè)置有裝載第一光電編碼器的第一直流電機，第一直流電機驅(qū)動圓形軌道在垂 直方向自轉(zhuǎn)；所述底座設(shè)置有裝載第二光電編碼器的第二直流電機，第二直流電機驅(qū)動底 座在水平方向自轉(zhuǎn)；
[0008] 第二麥克風(fēng)陣列與第一麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)完全相同，包括第二固定麥克風(fēng)和第二可 移動麥克風(fēng)，圓形軌道圓心處設(shè)置有裝載第三光電編碼器的第三直流電機，底座設(shè)置有裝 載第四光電編碼器的第四直流電機；
[0009] 上述兩個麥克風(fēng)陣列均通過數(shù)據(jù)采集卡與上位機相連，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的聲 音信號傳輸給上位機；四個光電編碼器通過控制解析模塊與上位機相連，將與聲音信號同 步的移動麥克風(fēng)旋轉(zhuǎn)角度信息傳輸給上位機，上位機通過控制解析模塊控制四個直流電機 的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；
[0010] 所述供電模塊為兩個麥克風(fēng)陣列、數(shù)據(jù)采集卡、控制解析模塊供電。
[0011] 一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟1、確定兩個固定麥克風(fēng)之間的距離，建立坐標(biāo)系：以兩個固定麥克風(fēng)位置中 點為原點、兩個固定麥克風(fēng)連線為X軸，包含X軸且平行于水平面的平面為XOY平面；初始 時刻，兩個移動麥克風(fēng)與兩個固定麥克風(fēng)在同一條直線上；
[0013] 步驟2、通過驅(qū)動底座中的直流電機使得兩個移動麥克風(fēng)從初始時刻開始繞對應(yīng) 的固定麥克風(fēng)同方向旋轉(zhuǎn)180°，根據(jù)廣義互相關(guān)法確定旋轉(zhuǎn)過程中不同位置的移動麥克 風(fēng)與對應(yīng)的固定麥克風(fēng)之間的時延值，比較不同位置的時延值，確定時延值最大時移動麥 克風(fēng)相對于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，得到聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣中固定 麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角；當(dāng)任意一個夾角的大小為〇°或 者180°時，移動一個麥克風(fēng)陣列，使得移動后的兩個固定麥克風(fēng)連線與移動前兩個固定麥 克風(fēng)連線不重疊，返回步驟1 ;
[0014] 步驟3、根據(jù)兩個固定麥克風(fēng)的距離以及步驟2得到的聲源目標(biāo)在XOY平面的投影 與兩個麥克風(fēng)陣中固定麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角，由三角形 正弦定理確定聲源目標(biāo)在XOY平面的投影到第一麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離Cl 1和該 投影到第二麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離d2 ;
[0015] 步驟4、以步驟2中得到的時延值最大的位置為起始位置，通過兩個麥克風(fēng)陣列圓 形軌道圓心處的直流電機驅(qū)動移動麥克風(fēng)繞各自固定麥克風(fēng)先逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再從起始 位置順時針旋轉(zhuǎn)90°，根據(jù)廣義互相關(guān)法確定在旋轉(zhuǎn)過程中不同位置的移動麥克風(fēng)與固定 麥克風(fēng)之間的時延值，比較不同位置的時延值，確定時延值最大時兩個移動麥克風(fēng)相對于 初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，得到聲源目標(biāo)分別與兩個麥克風(fēng)陣列固定麥克風(fēng)所連直線與XOY平 面的夾角^和β 2 ;
[0016] 步驟5、根據(jù)步驟3得到的(I1和d2以及步驟4得到的β i和β 2，由三角幾何關(guān)系 確定聲源目標(biāo)到兩個麥克風(fēng)陣列中固定麥克風(fēng)的距離；
[0017] 步驟6、根據(jù)聲源目標(biāo)在XOY平面的投影到原點的距離，以及該投影與原點的連線 與X軸的夾角，由三角形正余弦定理確定聲源目標(biāo)的坐標(biāo)值。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比，其顯著優(yōu)點為：（1)本發(fā)明的定位裝置采用可移動雙 麥克風(fēng)陣列，在保證計算精度的同時，減少了麥克風(fēng)數(shù)量，減小了定位裝置的體積，降低了 成本；（2)本發(fā)明的定位方法依據(jù)固定麥克風(fēng)與移動麥克風(fēng)的最大時延值確定麥克風(fēng)陣列 與聲源目標(biāo)的幾何位置關(guān)系，計算量小，實時性好，精度高；（3)本發(fā)明可廣泛用于室內(nèi)近 距離固定或慢速移動的聲源目標(biāo)快速、精確的三維空間定位。
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置原理圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的定位裝置中的麥克風(fēng)陣列構(gòu)成示意圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明定位方法的計算聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣列固定 麥克風(fēng)所形成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角和該投影到兩個固定麥克風(fēng)距離 的原理圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明定位方法的計算聲源目標(biāo)與兩個固定麥克風(fēng)分別所連直線與XOY平 面的夾角和聲源目標(biāo)到兩個固定麥克風(fēng)距離的原理圖。
[0024] 圖5是本發(fā)明方法的計算聲源目標(biāo)在XOY平面投影到原點距離和與原點所連直線 與X軸夾角的原理圖。
[0025] 圖中，1.固定麥克風(fēng)，2.移動麥克風(fēng)，3.圓形軌道，4.支架，5.底座。
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。

【具體實施方式】
[0027] 結(jié)合圖1，一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置，包括第一麥克風(fēng)陣 列、第二麥克風(fēng)陣列、控制解析模塊、數(shù)據(jù)采集卡、供電模塊和上位機；
[0028] 第一麥克風(fēng)陣列包括一個第一固定麥克風(fēng)和一個第一可移動麥克風(fēng)，第一固定麥 克風(fēng)設(shè)置在圓形軌道圓心處，圓形軌道所在平面與地面垂直，第一移動麥克風(fēng)設(shè)置在圓形 軌道上，與第一固定麥克風(fēng)相對距離保持不變；所述圓形軌道通過支架設(shè)置在底座上，圓形 軌道圓心處設(shè)置有裝載第一光電編碼器的第一直流電機，第一直流電機驅(qū)動圓形軌道在垂 直方向自轉(zhuǎn)；所述底座設(shè)置有裝載第二光電編碼器的第二直流電機，第二直流電機驅(qū)動底 座在水平方向自轉(zhuǎn)；
[0029] 第二麥克風(fēng)陣列與第一麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)完全相同，包括第二固定麥克風(fēng)和第二可 移動麥克風(fēng)，圓形軌道圓心處設(shè)置有裝載第三光電編碼器的第三直流電機，底座設(shè)置有裝 載第四光電編碼器的第四直流電機；
[0030] 上述兩個麥克風(fēng)陣列均通過數(shù)據(jù)采集卡與上位機相連，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的聲 音信號傳輸給上位機；四個光電編碼器通過控制解析模塊與上位機相連，將與聲音信號同 步的移動麥克風(fēng)旋轉(zhuǎn)角度信息傳輸給上位機，上位機通過控制解析模塊控制四個直流電機 的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速；
[0031] 所述供電模塊為兩個麥克風(fēng)陣列、數(shù)據(jù)采集卡、控制解析模塊供電。
[0032] 所述兩個麥克風(fēng)陣列的圓形軌道半徑均為10cm，所述支架和底座合計高為20cm， 第一固定麥克風(fēng)和第二固定麥克風(fēng)的距離為1?2m。
[0033] 結(jié)合圖3、圖4和圖5, 一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方 法，包括以下步驟：
[0034] 步驟1、確定兩個固定麥克風(fēng)之間的距離，建立坐標(biāo)系：以兩個固定麥克風(fēng)位置中 點為原點、兩個固定麥克風(fēng)連線為X軸，包含X軸且平行于水平面的平面為XOY平面；初始 時刻，兩個移動麥克風(fēng)與兩個固定麥克風(fēng)在同一條直線上；
[0035] 設(shè)第一麥克風(fēng)陣列的第一固定麥克風(fēng)為Iii1，第一移動麥克風(fēng)為m2，圓形軌道半徑 為r ;第二麥克風(fēng)陣列的第二固定麥克風(fēng)為m3，第二移動麥克風(fēng)為m4，圓形軌道半徑為r ;
[0036] 以Hi1Iii3的中點為原點0、以^為X軸、初始時刻所有麥克風(fēng)所在且平行于水平面 的平面為XOY平面建立坐標(biāo)系，mdPm 3之間的距離為2L，其中L>r，則Hi1坐標(biāo)為（0，-L，0)， m3坐標(biāo)為（0, L，0)，在初始時刻，m2的坐標(biāo)為（0, -L-r，0)，m4的坐標(biāo)為（0, L-r，0);設(shè)聲源目 標(biāo)為Q，坐標(biāo)為（X，y，z)，其在XOY平面的投影Q'坐標(biāo)為（X，y，0)。
[0037] 步驟2、通過驅(qū)動底座中的直流電機使得兩個移動麥克風(fēng)從初始時刻開始繞對應(yīng) 的固定麥克風(fēng)同方向旋轉(zhuǎn)180°，根據(jù)廣義互相關(guān)法確定旋轉(zhuǎn)過程中不同位置的移動麥克 風(fēng)與對應(yīng)的固定麥克風(fēng)之間的時延值，比較不同位置的時延值，確定時延值最大時移動麥 克風(fēng)相對于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，得到聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣中固定 麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角；當(dāng)測得兩個夾角中的任意一個夾 角大小為0°或者180°時，移動一個麥克風(fēng)陣列，使得移動后的兩個固定麥克風(fēng)連線與移 動前兩個固定麥克風(fēng)連線不重疊，返回步驟1 ;其中移動后的兩個固定麥克風(fēng)連線與移動 前兩個固定麥克風(fēng)連線的夾角以45°最優(yōu)；
[0038] 當(dāng)麥克風(fēng)陣列的移動麥克風(fēng)位于對應(yīng)的固定麥克風(fēng)與聲源目標(biāo)Q在XOY平面的投 影Q'所連直線上時，Q發(fā)出的聲音信號到這固定麥克風(fēng)與移動麥克風(fēng)的傳播路程差最大， 即此時兩個麥克風(fēng)時延值最大；確定麥克風(fēng)陣列中兩個麥克風(fēng)時延最大值的相對位置即可 找到Q'所在的直線，兩個麥克風(fēng)陣列確定的兩條直線的交點即為Q'的位置；
[0039] 確定投影Q'與叫、!^形成三角形中Wmpm3為頂點的夾角的具體步驟如下：
[0040] 步驟2-1、令m2在XOY平面以Hi1為圓心旋轉(zhuǎn)180°，m4在XOY平面以m 3為圓心旋 轉(zhuǎn)180° ;m2、m4每旋轉(zhuǎn)10°停頓一下，確定此位置叫與叫的時延值和1113與1]1 4的時延值， 并與上位置所測得對應(yīng)時延值比較，記錄初始時刻至此時刻的最大值；設(shè)此旋轉(zhuǎn)過程中記 錄的Hl 1與m2的最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為Θ i，％與m4的最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為 θ2；
[0041] 步驟 2-2、令1112 在[Θ _，Θ _]之間移動，其中 Θ _ = max(〇°，Θ flO。），θ = min(180°，θ1+1〇° )，每旋轉(zhuǎn)2°停頓一下，確定當(dāng)前位置叫與叫的時延值；測得叫與 m2最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度Θ ' i ;m4以同樣過程旋轉(zhuǎn)，測得此過程中％與IH4最大時延值 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度Θ ' 2 ;
[0042] 步驟 2_3、令 m2 在[Θ ' min，Θ ' J 之間移云力，其中 Θ ' min = max(0。，Θ '「2° )， 0'max= min(l80°，θ'ι+2° )，每旋轉(zhuǎn)0·5°停頓一下，確定當(dāng)前位置叫與叫的時延值； 測得Hi1與m2最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度匕；同樣方法得到％與m4最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn) 角度§2;
[0043] 步驟2-4、聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣中固定麥克風(fēng)所構(gòu)成三角 形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角，其中以第一固定麥克風(fēng)的夾角為a i，以第二固定麥 克風(fēng)的夾角為α 2 ;則a i和α 2分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置，其特征在于，包括第一麥克風(fēng)陣 列、第二麥克風(fēng)陣列、控制解析模塊、數(shù)據(jù)采集卡、供電模塊和上位機； 第一麥克風(fēng)陣列包括一個第一固定麥克風(fēng)和一個第一可移動麥克風(fēng)，第一固定麥克風(fēng) 設(shè)置在圓形軌道圓心處，圓形軌道所在平面與地面垂直，第一移動麥克風(fēng)設(shè)置在圓形軌道 上，與第一固定麥克風(fēng)相對距離保持不變；所述圓形軌道通過支架設(shè)置在底座上，圓形軌道 圓心處設(shè)置有裝載第一光電編碼器的第一直流電機，第一直流電機驅(qū)動圓形軌道在垂直方 向自轉(zhuǎn)；所述底座設(shè)置有裝載第二光電編碼器的第二直流電機，第二直流電機驅(qū)動底座在 水平方向自轉(zhuǎn)； 第二麥克風(fēng)陣列與第一麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)完全相同，包括第二固定麥克風(fēng)和第二可移動 麥克風(fēng)，圓形軌道圓心處設(shè)置有裝載第三光電編碼器的第三直流電機，底座設(shè)置有裝載第 四光電編碼器的第四直流電機； 上述兩個麥克風(fēng)陣列均通過數(shù)據(jù)采集卡與上位機相連，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的聲音信 號傳輸給上位機；四個光電編碼器通過控制解析模塊與上位機相連，將與聲音信號同步的 移動麥克風(fēng)旋轉(zhuǎn)角度信息傳輸給上位機，上位機通過控制解析模塊控制四個直流電機的轉(zhuǎn) 向和轉(zhuǎn)速； 所述供電模塊為兩個麥克風(fēng)陣列、數(shù)據(jù)采集卡、控制解析模塊供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置，其特征在于， 所述兩個麥克風(fēng)陣列的圓形軌道半徑均為IOcm,所述支架和底座合計高為20cm，第一固定 麥克風(fēng)和第二固定麥克風(fēng)的距離為1?2m。
3. -種基于權(quán)利要求1所述基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法， 其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、確定兩個固定麥克風(fēng)之間的距離，建立坐標(biāo)系：以兩個固定麥克風(fēng)位置中點為 原點、兩個固定麥克風(fēng)連線為X軸，包含X軸且平行于水平面的平面為XOY平面；初始時刻， 兩個移動麥克風(fēng)與兩個固定麥克風(fēng)在同一條直線上； 步驟2、通過驅(qū)動底座中的直流電機使得兩個移動麥克風(fēng)從初始時刻開始繞對應(yīng)的固 定麥克風(fēng)同方向旋轉(zhuǎn)180°，根據(jù)廣義互相關(guān)法確定旋轉(zhuǎn)過程中不同位置的移動麥克風(fēng)與 對應(yīng)的固定麥克風(fēng)之間的時延值，比較不同位置的時延值，確定時延值最大時移動麥克風(fēng) 相對于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，得到聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣中固定麥 克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角；當(dāng)任意一個夾角的大小為〇°或者 180°時，移動一個麥克風(fēng)陣列，使得移動后的兩個固定麥克風(fēng)連線與移動前兩個固定麥克 風(fēng)連線不重疊，返回步驟1; 步驟3、根據(jù)兩個固定麥克風(fēng)的距離以及步驟2得到的聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩 個麥克風(fēng)陣中固定麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角，由三角形正弦 定理確定聲源目標(biāo)在XOY平面的投影到第一麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離Cl1和該投影 到第二麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離d2 ; 步驟4、以步驟2中得到的時延值最大的位置為起始位置，通過兩個麥克風(fēng)陣列圓形軌 道圓心處的直流電機驅(qū)動移動麥克風(fēng)繞各自固定麥克風(fēng)先逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再從起始位置 順時針旋轉(zhuǎn)90°，根據(jù)廣義互相關(guān)法確定在旋轉(zhuǎn)過程中不同位置的移動麥克風(fēng)與固定麥克 風(fēng)之間的時延值，比較不同位置的時延值，確定時延值最大時兩個移動麥克風(fēng)相對于初始 位置的旋轉(zhuǎn)角度，得到聲源目標(biāo)分別與兩個麥克風(fēng)陣列固定麥克風(fēng)所連直線與XOY平面的 夾角βi和β2 ; 步驟5、根據(jù)步驟3得到的Cl1和d2以及步驟4得到的βi和β2，由三角幾何關(guān)系確定 聲源目標(biāo)到兩個麥克風(fēng)陣列中固定麥克風(fēng)的距離； 步驟6、根據(jù)聲源目標(biāo)在XOY平面的投影到原點的距離，以及該投影與原點的連線與X軸的夾角，由三角形正余弦定理確定聲源目標(biāo)的坐標(biāo)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟1具體為： 設(shè)第一麥克風(fēng)陣列的第一固定麥克風(fēng)為Ki1，第一移動麥克風(fēng)為m2，圓形軌道半徑為r; 第二麥克風(fēng)陣列的第二固定麥克風(fēng)為m3，第二移動麥克風(fēng)為m4，圓形軌道半徑為r; 以nyn3的中點為原點0、以^為X軸、初始時刻所有麥克風(fēng)所在且平行于水平面的 平面為XOY平面建立坐標(biāo)系，Hi1和m3之間的距離為2L，其中L>r，則Hi1坐標(biāo)為（0, -L, 0)，m3 坐標(biāo)為（〇,L，0)，在初始時刻，m2的坐標(biāo)為（0, -L-r，0)，m4的坐標(biāo)為（0,L-r，0);設(shè)聲源目標(biāo) 為Q，坐標(biāo)為（X，y，z)，其在XOY平面的投影Q'坐標(biāo)為（X，y，0)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟2具體為： 當(dāng)麥克風(fēng)陣列的移動麥克風(fēng)位于對應(yīng)的固定麥克風(fēng)與聲源目標(biāo)Q在XOY平面的投影Q'所連直線上時，Q發(fā)出的聲音信號到這固定麥克風(fēng)與移動麥克風(fēng)的傳播路程差最大，即 此時兩個麥克風(fēng)時延值最大；確定麥克風(fēng)陣列中兩個麥克風(fēng)時延最大值的相對位置即可找 到Q'所在的直線，兩個麥克風(fēng)陣列確定的兩條直線的交點即為Q'的位置； 確定投影Q'與Hipm3形成三角形中以Iiipm3為頂點的夾角的具體步驟如下： 步驟2-1、令m2在XOY平面以Hi1為圓心旋轉(zhuǎn)180°，m4在XOY平面以m3為圓心旋轉(zhuǎn) 180° ;m2、m4每旋轉(zhuǎn)10°停頓一下，確定此位置Iii1與m2的時延值和m3與m4的時延值；設(shè)此 旋轉(zhuǎn)過程中記錄的IH1與m2的最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為θ 與IH4的最大時延值對應(yīng) 的旋轉(zhuǎn)角度為Θ2 ; 步驟 2-2、令m2 在[9min，Θ·]之間移動，其中 0min =max(〇。，θ「1〇。），Qmax =min(180°，0,10° )，每旋轉(zhuǎn)2°停頓一下，確定當(dāng)前位置叫與叫的時延值；測得叫與叫 最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度Θ'i;m4以同樣過程旋轉(zhuǎn)，測得此過程中％與m4最大時延值對 應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度Θ2; 步驟2-3、令!112在[0'_，0'_]之間移動，其中0'1^ =應(yīng)(〇°，0'「2°)，0'·=min(180°，0^+2° )，每旋轉(zhuǎn)0.5°停頓一下，確定當(dāng)前位置Iii1與1112的時延值；測得Iii1 與1112最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度匕；同樣方法得到％與1114最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度§2; 步驟2-4、聲源目標(biāo)在XOY平面的投影與兩個麥克風(fēng)陣中固定麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中 以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角，其中以第一固定麥克風(fēng)的夾角為ai，以第二固定麥克風(fēng) 的夾角為α2 ;則ai和α2分別為： 當(dāng) §丨 > §2，則cu=180 -§ι，α2=§2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟3具體為： 根據(jù)步驟1和步驟2中得到的Hi1和m3的距離為2L，L>0,以及聲源目標(biāo)在XOY平面的 投影Q'與兩個麥克風(fēng)陣中固定麥克風(fēng)所構(gòu)成三角形中以兩個固定麥克風(fēng)為頂點的夾角 和α2 ;聲源目標(biāo)在XOY平面的投影到第一麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離為Cl1和該投影 到第二麥克風(fēng)陣列的固定麥克風(fēng)的距離為d2，由三角形正弦定理可得： 即得到(I1和d2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟4具體為： 當(dāng)麥克風(fēng)陣列的移動麥克風(fēng)在固定麥克風(fēng)與聲源目標(biāo)Q所連直線上時，聲源目標(biāo)到這 兩個麥克風(fēng)的傳播路程差最大，此時兩個麥克風(fēng)的時延值最大；確定麥克風(fēng)陣列中兩個麥 克風(fēng)時延最大值的相對位置即可找到聲源目標(biāo)所在的直線，兩個麥克風(fēng)陣列確定的兩條直 線可以找到Q的位置； 確定Q與叫、％分別所連直線與XOY平面的夾角具體過程為： 步驟4-1、初始時刻m2、m4位于步驟2中在XOY平面ml與m2、％與m4時延值最大的位 置，此時mmi:、m.um與XOY平面夾角為〇° ;驅(qū)動圓形軌道圓心處直流電機，使得m2在垂 直平面繞Hl1旋轉(zhuǎn)，m4在垂直平面繞m3旋轉(zhuǎn)；m2、m4向上運動夾角為正，向下運動夾角為負(fù)， 運動范圍為（-90°，90° ); 令m2、m4從與XOY平面夾角0°向90°方向旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)10°停頓一下，分別確定此位 置1111與1112、1113與1]14的時延值 ；當(dāng)旋轉(zhuǎn)至90°時，令1112、1]14返回與父0￥平面夾角0°狀態(tài)，并 向-90°方向旋轉(zhuǎn)；每旋轉(zhuǎn)10°停頓一下，確定此位置111 1與1112、1113與1]14的時延值；設(shè)此旋轉(zhuǎn) 過程中記錄的Iii1與m2的最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度為γ 與m4的最大時延值對應(yīng)的旋 轉(zhuǎn)角度為Y2 ; 步驟 4-2、令1112 在[Ymin,YmaJ之間移動，其中Ymin =max(-90。，γ「10° )，Ymax =min(90°，γ,10° )，m2每旋轉(zhuǎn)2°停頓一下，確定當(dāng)前時延值；確定此旋轉(zhuǎn)過程中的最大 時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，i;m4以同樣過程旋轉(zhuǎn)，測得此旋轉(zhuǎn)過程中％與m4最大時延值對 應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度Y' 2 ; 步驟4-3、令1112在在[卜_，卜_]之間移動，其中卜1^ = 11^(-90°，^1-2°)，Y'max=min(9〇° ,[+2° )，m2每旋轉(zhuǎn)0.5°停頓一下，確定當(dāng)前時延值，最終記錄最大時 延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度^ ;m4以同樣過程旋轉(zhuǎn)，測得此過程中％與m4最大時延值對應(yīng)的旋轉(zhuǎn) 角度γ2; 步驟4-4、根據(jù)兩個移動麥克風(fēng)所旋轉(zhuǎn)的角度，分以下兩種情況得出^^和β2: 若此前對應(yīng)的AS§2，則; 若此前對應(yīng)的§! > §2，則βι=γι，丨丨2=γ，3
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟5具體為： 由上述測得的XOY平面距離Cl1和(12以及上述測得的垂直平面的夾角^和β2，可得 聲源目標(biāo)到兩個麥克風(fēng)陣列中固定麥克風(fēng)的距離D1和D2分別為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方法，其 特征在于，所述步驟6具體為： 步驟6-1、計算聲源目標(biāo)Q在XOY平面的投影Q'到原點0的距離R及與Q'、0與m3形 成的以〇為頂點的夾角Ψ，根據(jù)正弦定理和余弦定理可得：
由COSΨ得到Ψ; 步驟6-2、確定Q的三維空間坐標(biāo)值： 當(dāng)§ι>§2且Ψ<90°時，聲源目標(biāo)Q坐標(biāo)中X = Rcos Ψ，y=Rsin ψ，ζ=D1Sinβi ; 當(dāng)§ι>§2且Ψ>90°時，聲源目標(biāo)Q坐標(biāo)中X=-Rcos (180°-Ψ)，y=Rsin(180° - ψ), z = D1Sin β!； 當(dāng)§丨<§2且Ψ<90。時，聲源目標(biāo)Q坐標(biāo)中χ=Rcosψ，y=-Rsinψ，ζ = D1Sinβi ; 當(dāng)§ι<§2且Ψ>90° 時，聲源目標(biāo)Q坐標(biāo)中χ=-Rcos (180 °-Ψ)，y = -Rsin(180° - ψ), z = D1Sin β1〇
10. 根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的基于軌道移動雙麥克風(fēng)陣列的聲源定位裝置的定位方 法，其特征在于，確定固定麥克風(fēng)與移動麥克風(fēng)之間時延值的具體方法為： 第一步、當(dāng)Hi1與m2停頓時，兩個麥克風(fēng)陣列均采集一段時間為IOms?30ms的目標(biāo)聲 音信號； 第二步、設(shè)Hl1與m2接收到的聲音信號模型分別為： X1 (t) =B1S(t)+Il1 (t) X2 (t) =a2S(t) +n2 (t) 其中，ai、a2分別為聲源信號到達(dá)^m2傳播過程中的衰減系數(shù)，S(t)為聲源信號，Ii1 (t)、n2(t)分別為H^m2接收到的附加噪聲，設(shè)麥克風(fēng)對H^m2之間的時延值為τ12 ; 對信號X1⑴、X2⑴分別進行傅里葉變換，得到頻域信號X1 (ω)和X2 (ω)，互功率譜函 數(shù)為： Gxix《(.o)=X丨(ο))Χ*2(ω) 其互相關(guān)函數(shù)為： RxIχ： (τ) =j(GxIχ： (〇))c|(Rd(.o 第三步、對互相關(guān)函數(shù)進行峰值測定，互相關(guān)函數(shù)峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為時延值 Tl,2； 同理可測得m3與m4停頓時兩者之間的時延值τ3 4。
【文檔編號】G01S5/22GK104459625SQ201410768544
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月14日
【發(fā)明者】吳祥, 薄煜明, 趙高鵬, 臧鑫, 楊頔, 朱震曙, 何亮, 章婷婷 申請人:南京理工大學(xué)