一种声源多维定位跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，具体涉及一种声源多维定位跟踪系统及方法。

背景技术

声源定位技术是指利用多个麦克风在环境不同位置点对声信号进行测量，由于声信号到达各麦克风的时间有不同程度的延迟，利用算法对测量到的声信号进行处理，由此获得声源点相对于麦克风的到达方向(包括方位角、俯仰角)和距离等。

传统的声源定位设备受噪声和混响的影响较大，在复杂环境下设备性能不稳定，容易出现误判，且不具备激光标注等功能，无法直观体现声源位置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种声源多维定位跟踪系统及方法。

本发明提供了一种声源多维定位跟踪系统，包括如下部件：

麦克风阵列，用于捕获声源发出的声音，记录下声强和获取时间，向MCU主控装置输出声强信息和时间信息；

MCU主控装置，用于处理来自麦克风阵列的声强信息和时间信息，MCU通过建立数学模型对信息进行处理得到对应的角度和距离数据，再将数据进行滤波处理，最终得到准确数据，将数据传递给舵机云台和LCD显示屏；

LCD显示屏，用于显示MCU主控装置计算出的距离和角度数据；

舵机云台，根据MCU主控装置的角度数据，转动相同的角度，用于带动激光指示装置指向声源位置；

激光指示装置，用于发射激光标出声源位置；

电源模块，包括电源降压器件，用于装置间的供电与调压。

进一步的，麦克风阵列至少包含一个由四个麦克风组成的T字型阵列。

进一步的，舵机云台包括水平舵机和竖直舵机。

本发明还提供了一种声源多维定位跟踪方法，包含如下步骤：

信号接收阶段：通过麦克风阵列接收声源信号，得到声强信息和时间信息，其中，麦克风编号为m

预处理阶段：将接收到的信息进行预处理，根据声强信息排除杂音数据，比较声源到达m

数据计算阶段：根据预处理数据进行如下计算：

/>

其中，θ为声源相对于m

修正阶段：将计算得到的θ，φ，r进行滤波处理，得到修正后的精确值；

转换阶段：将精确的θ，φ，r数值转化为(x，y，z)坐标值，通过三角函数计算出舵机转动的水平角和仰角；

显示阶段：将水平角，仰角，r数值显示在LCD显示屏上；

定位阶段：将水平角，仰角信息转换为电信号输入舵机云台，舵机云台带动激光指示装置指向声源，激光指示装置发射出激光标示声源位置。

进一步的，修正阶段中的滤波处理包括卡尔曼滤波，卡尔曼滤波得到较精确的θ，φ，r数值后再进行递推平均滤波。

进一步的，转化阶段中(x，y，z)坐标转化公式为：

x＝r·cosθ

其中，先通过θ，φ，r，a求出x，y值，再通过x，y，r计算出z值。

进一步的，定位阶段中舵机云台将水平角，仰角信息转换为一定占空比的脉冲波，将占空比与角度对应起来，通过调制芯片将脉冲波处理为偏置电压，再通过与平衡电位器的配合，从而实现舵机的精确转动。

进一步的，定位阶段中将传入舵机的角度和舵机实际转动的角度进行对比，统计误差值来构造修正函数，将修正函数代码化后用于修正舵机的转动。

本发明有益效果如下：

1.本发明可以对声源精准定位，抗干扰能力强，能够在LCD显示屏上动态显示出声源的位置角度及距离，并描述出声源的运动轨迹，使操作者更加清晰直观的感受到声源位置的变换，能更好的适用于生活中的各个场景；

2.本发明能通过激光指示装置标明声源位置，使操作者更方便、直观的观测到声源所在地；

3.本发明可以实现对移动声源的动态追踪，并通过激光指示装置实时追踪声源的所在位置，通过显示屏对声源运动轨迹进行描绘，帮助操作者掌握声源的运动状态及趋势。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明中声源与麦克风位置关系计算原理示意图；

图3为本发明中PWM控制转动角度示意图；

图4为本发明的总体工作流程图；

图5为本发明MCU主控装置工作流程图；

图6为本发明舵机云台工作流程图；

图7为本发明底板原理图；

图8为本发明麦克风原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1至8对本发明公开的系统及方法作进一步详细描述：

如图1所示，本发明公开了一种声源多维定位跟踪系统，包括：

(1)麦克风阵列，用于捕获声源发出的声音，记录下声强和获取时间，向MCU主控装置输出声强信息和时间信息；

(2)MCU(单片机)主控装置，用于处理来自麦克风阵列的声强信息和时间信息，MCU通过建立数学模型对信息进行处理得到对应的角度和距离数据，再将数据进行滤波处理，最终得到准确数据，将数据传递给舵机云台和LCD显示屏；

(3)LCD显示屏，用于显示MCU主控装置计算出的距离和角度数据；

(4)舵机云台，根据MCU主控装置的角度数据，转动相同的角度，用于带动激光指示装置指向声源位置；

(5)激光指示装置，用于发射激光标出声源位置；

(6)电源模块，包括电源降压器件，用于装置间的供电与调压。

在本实施例中，MCU主控装置采用MAIX Dock开发板，如图7所示，开发板使用模块+底板方式设计，整洁小巧，板载Type-C接口和USB-UART电路，用户可以直接通过USB Type-C线连接电脑进行开发，配置128Mbit Flash、LCD、DVP、Micro SD卡等接口并把所有IO引出，方便用户扩展。

在本实施例中，所述模块是基于嘉楠堪智科技的边缘智能计算芯片K210(RISC-V架构)设计的一款AIOT模块。主控芯片内置64位双核高性能低功耗处理器，每个核都有浮点运算单元(FPU)，具备卷积人工神经网络硬件加速器(KPU)和快速傅里叶变换加速器(FFT)、搭载现场可编程IO阵列(FPIOA)，支持多种主流Al编程框架。在听觉能力上，芯片自带APU语音处理单元，最高可支持8路音频数据及16个方向，无需占用CPU即可实现声源定向、声场成像、波束形成、语音识别与唤醒等功能。

在本实施例中，麦克风阵列至少包含一个由四个麦克风组成的T字型阵列，如图8所示，麦克风模块采用MSM261S4030H0高灵敏度数字硅麦芯片，具有全向端口，通过I2S(集成电路内置音频总线)接口直接输出，无须额外添加Codec，可实现直接与DSP或MCU的全数字化信号连接，原生的将数字音频信号输入主控芯片，大大降低了信号链设计复杂度和整体成本，板载SK9822串联RGB LED，双线控制色彩，在系统体积、成本、功耗和抗干扰等方面都具有极大的优势。

在本实施例中，舵机云台包括水平舵机和竖直舵机。

本发明还公开了一种声源多维定位跟踪方法，包含如下步骤：

(1)信号接收阶段：通过麦克风阵列接收声源信号，得到声强信息和时间信息，其中，麦克风编号为m

(2)预处理阶段：将接收到的信息进行预处理，根据声强信息排除杂音数据，比较声源到达m

(3)数据计算阶段：如图2(a)所示，以m

‖r

其中c为声速，d

易知：

m

m

将上三式带入矢量方程可得：

当声源S离原点的距离r足够大时，可认为1/4r

所以当知道任意两麦克风之间的距离和声源S到两麦克风间的时差△t就可以得到声源S相对两麦克风连线中心的方位角θ(配合声源到达麦克风的先后顺序进行判断)，多对麦克风求得的方位角连线的交点即是声源位置。

根据预处理数据进行如下计算：

其中，θ为声源相对于m

/>

将

两式相加可得距离r：

由上述公式可以得到声源S到所设原点(即m2)的距离和到中点的两个方位角。由此，将以上详细计算公式代码化，将函数进行封装，导入MCU主控装置中，将声源S到各个麦克风的时间差传入，即可得到声源S的方位角和距离；

(4)修正阶段：将计算得到的θ，φ，r进行滤波处理，得到修正后的精确值(如图5所示，预处理阶段至修正阶段均在MCU主控装置中进行)；

(5)转换阶段：将精确的θ，φ，r数值转化为(x，y，z)坐标值，通过三角函数计算出舵机转动的水平角和仰角，同上，转换阶段用到的函数也将代码化后封装进MCU主控装置中，将精确的θ，φ，r数值传入，即可得到声源S到原点的水平角和仰角；

(6)显示阶段：将水平角，仰角，r数值显示在LCD显示屏上；

(7)定位阶段：将水平角，仰角信息转换为电信号输入舵机云台，舵机云台带动激光指示装置指向声源，激光指示装置发射出激光标示声源位置。

在本实施例中，步骤(4)中的滤波处理包括卡尔曼滤波，在得到公式计算的θ，φ，r数值后，计算卡尔曼增益：

其中ECN为当前估计协方差，MCN为当前测量协方差，得到卡尔曼增益K后，继续计算当前估计值EVN，即：

EVN＝ECR·EVP+K·(MV-EVP)

其中ECR为估计变化比，EVP为上次的估计值，MV为测量值，由此得到当前的估计值，再计算下次估计协方差ECX，即：

除此之外，还需下次测量协方差MCX，即：

由此可以得出当前估计值EVN、当前估计协方差ECN、估计变化比ECR、下次估计协方差ECX。因此向MCU主控装置中导入卡尔曼函数，将角度与距离数据传入，即可返回较为精准的当前的角度估计值和距离估计值。

卡尔曼滤波得到较精确的θ，φ，r数值后再进行递推平均滤波。创建一个队列，向队列中存放卡尔曼滤波后所得到角度以及距离，将队列填满后，取平均值，再将新数据放入队尾，并去除原来队首的数据，再取平均值，不断循环，即可得到一个连续且稳定的滤波结果(即：当声源发出的信息连续时，本发明在接收信息后能实时响应并指向该声源目标，实现对移动目标的跟踪)。

在本实施例中，步骤(5)中(x，y，z)坐标转化公式为：

x＝r·cosθ

其中，先通过θ，φ，r，a求出x，y值(三点共面求投影到坐标轴上的截距)，再通过x，y，r计算出z值。

在本实施例中，如图6所示，步骤(7)中的舵机云台将水平角，仰角信息转换为一定占空比的脉冲波，占空比与旋转角度对应，脉冲波经调制芯片处理成一个偏置电压，舵机内部通过判断偏置电压正负来进行正转或反转，同时舵机内部带有平衡电位器，内部齿轮转动的同时会带动电位器变化，使电压逐渐减小，当电机转到指定角度时刚好为0，舵机停止转动，以此来实现对转动角度的精确控制，PWM(脉冲宽度调制)控制转动角度示意图如图3所示，其中水平角对应水平PWM值由水平舵机执行，仰角对应竖直PWM值由竖直舵机执行。

当舵机云台出现精度降低的情况时，将传入舵机的角度和舵机实际转动的角度进行对比，并统计误差值，以此构造修正函数(图6中数据修正方法即通过比照修正函数对输入数据进行调整)，将修正函数代码化后，即可根据对比出的经验数值进行更准确的控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。