[發明專利]基于主動旋轉的聲源定向裝置及其應用方法

在審

• 申請號: 201410283375.3
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104035065A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 孫昊;陳萌;楊鵬;范智美;徐勤奇
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01S3/802
• 分類號: G01S3/802
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 胡安朋

技術領域

本發明的技術方案涉及應用聲波通過確定多個方向的配合來定向的裝置，具體地說是基于主動旋轉的聲源定向裝置及其應用方法。

背景技術

現今，隨著仿生技術應用領域的不斷擴展，基于傳聲器陣列的聽覺感知技術已逐漸成為移動機器人導航、語音信號增強以及水下目標感知等眾多領域的重要研究課題。可以說，聽覺感知是新一代智能機器人的重要標志之一，是實現“人-機-環境”交互的重要手段。由于聲音具有繞過障礙物的特性，在多信息采集系統中，聽覺可以與視覺相配合彌補其視場有限且不能穿過非透光障礙物的局限。另外，在“聽覺場景”內不僅能定向聲源目標，還可以通過現代信號處理技術得到更有價值的信息。因此，設計高精度的聲源定向裝置在醫療、服務和軍事等領域具有重要的理論意義和應用價值。

現有的小型麥克風聲源定向裝置，大都不能滿足360度全方位、高精度的定向要求。一方面，受遠場近場應用條件的限制，聲源距離越近，存在誤差越大，甚至嚴重偏離實際值；另一方面，因為定向計算中的近似操作，定向精度也受到很大的影響。CN201010191634.1報道的“一種聲源定位裝置”，采用正四面體的陣列結構，仍在很大程度上受近場遠場應用條件，聲源所在方位角等因素的限制，難以實現對任意方位聲源的準確定向。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供基于主動旋轉的聲源定向裝置及其應用方法，可以實現在平面全范圍內對任意方向和任意距離位置聲源的準確定向，克服了現有聲源定向裝置在很大程度上受近場遠場應用條件和聲源所在方位角因素的限制，難以實現對任意方位聲源準確定向的缺陷。

本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：基于主動旋轉的聲源定向裝置，包括聽覺傳感器、聲源信號微處理器和上位機，其中，所述聽覺傳感器是三元正三角形結構的麥克風陣列，三個麥克風分別位于該三元正三角形結構的三個頂點，該麥克風陣列安裝在一個能夠主動旋轉的伺服電機上面，所述聲源信號微處理器由聲音信號放大模塊和數據采集模塊構成，所述上位機為安裝了NIDAQ驅動的PC機，該上位機中存儲有時延計算模型、方位角計算模型和麥克風陣列定向流程程序；聽覺傳感器與聲音信號放大模塊之間、聲音信號放大模塊和數據采集模塊之間均用導線相互連接，數據采集模塊與上位機之間用USB數據線連接。

上述基于主動旋轉的聲源定向裝置，所述三元正三角形結構是用硬質材料做成的正三角形構架，其尺寸是三角形的邊長為10cm，所述三個麥克風均選用MPA201駐極體麥克風。

上述基于主動旋轉的聲源定向裝置，所述聲音放大模塊采用集成運算放大器LM324，所述數據采集模塊采用NI9215A數據采集卡。

上述基于主動旋轉的聲源定向裝置，所述時延計算模型和方位角計算模型一起共同完成聲源方位角計算，其具體步驟如下：

第一步，設定三個麥克風的坐標：

麥克風陣列為正三角形模型，三個麥克風分別位于該正三角形結構的三個頂點S₁、S₂和S₃，O為坐標系原點，同時也是正三角形的中心，設Q為聲源目標，坐標為(x，y)，坐標系原點到目標聲源點的距離OQ＝r，定義將X軸正半軸沿逆時針方向轉動到與OQ重合所經過的角度為方位角α，α取值0度～360度，假設S₁到坐標系原點O的距離為a，則三個麥克風的坐標分別為：S₁(0,a)，

第二步，由時延計算模型進行麥克風陣列中各個麥克風相對的時延估計：

在一個根據測定環境條件選定的位置，用麥克風陣列采集一段時間為10ms～30ms的目標聲音信號，聲音信號通過數據采集卡傳到上位機，上位機首先計算出聲音信號到達分別位于正三角形的三個頂點的三個麥克風之間的相對時間差，即聲音信號到達麥克風S₂和麥克風S₃的時刻與聲音信號到達麥克風S₁的時刻之間的時延值，具體方法如下：

假設兩個麥克風接收聲音信號的離散事件信號模型的坐標為：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t)????(1)