[發(fā)明專利]基于無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的K均值聚類加權(quán)聲源定位方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710116866.2
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106940439B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋娟;趙滿;岳鳳麗;計永祥;寧方立;付衛(wèi)紅
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22;G06K9/62;H04W84/18
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 田文英;王品華

本發(fā)明公開了一種基于無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的K均值聚類加權(quán)聲源定位方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中抗噪性能差，誤差累積導(dǎo)致的定位結(jié)果精度降低和卡爾曼濾波器模型應(yīng)用條件嚴格受限的問題。其實現(xiàn)步驟為：(1)初始化節(jié)點數(shù)據(jù)集；(2)計算聲源的近場位置；(3)構(gòu)造初始聚類樣本集；(4)更新初始聚類樣本集；(5)對聚類樣本集進行K均值聚類；(6)更新聚類結(jié)果集；(7)分配權(quán)值；(8)加權(quán)計算聲源最終位置。本發(fā)明通過K均值聚類和加權(quán)處理，能夠獲得抗噪性能增強，定位精度提高的聲源位置，并且應(yīng)用環(huán)境更加符合實際需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及聲源定位技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的K均值聚類加權(quán)聲源定位方法。本發(fā)明通過聚類和加權(quán)處理可實現(xiàn)無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標聲源的準確定位。

背景技術(shù)

無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Acoustic Sensor Network)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)類型，該網(wǎng)絡(luò)以麥克風陣列為節(jié)點，通過無線通信的方式，多個麥克風陣列自組織形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。基于WASN的聲源定位具有資源占用少，簡單易實現(xiàn)等顯著優(yōu)勢。

Anthony Griffin等人在其發(fā)表的論文“Localizing multiple audio sourcesin a wireless acoustic sensor network.”(《Signal Processing》,2015,pages 54-67)中提出一種WASN環(huán)境中基于網(wǎng)格的迭代聲源定位方法。該方法將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍劃分為正方形網(wǎng)格，利用聲源所在網(wǎng)格內(nèi)四個頂點處的波達方向估計值構(gòu)建目標函數(shù)，通過迭代地網(wǎng)格劃分及搜索，獲取目標聲源位置。該方法存在的不足之處是：僅基于聲源所在網(wǎng)格內(nèi)麥克風陣列節(jié)點獲取的單一物理量——波達方向估計值進行聲源定位，單節(jié)點波達方向估計值對定位結(jié)果影響大，抗噪性能差。

西北工業(yè)大學在其申請的專利文獻“基于無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點信息融合聲源定位方法”(公布號CN106231553A，申請?zhí)?01610627299.2)中公開了一種基于卡爾曼濾波的多節(jié)點信息融合聲源定位方法。該方法將聲源的近場位置作為狀態(tài)值，遠場波達方向估計值獲得的遠場位置作為觀測值，利用卡爾曼濾波器進行遠、近場位置的融合，并通過觀測值的協(xié)方差矩陣迭代校正，計算聲源的最終位置。該方法考慮了WASN融合中心處的多種聲源信息物理量，定位精度有所提高；但是該方法仍然存在的不足之處是：當聲源遠場位置誤差較大時，不準確的觀測協(xié)方差矩陣經(jīng)過迭代校正會導(dǎo)致誤差累積，使最終定位結(jié)果的精度降低；使用的卡爾曼濾波器模型需要滿足高斯噪聲環(huán)境下的線性系統(tǒng)方程，應(yīng)用條件嚴格受限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的K均值聚類加權(quán)聲源定位方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體思路是：利用線性最小二乘法估計的聲源的遠場位置構(gòu)造聚類樣本集，對聚類樣本集進行K均值聚類，并利用近場麥克風陣列節(jié)點估計的聲源的近場位置更新聚類結(jié)果集，最后，對聲源的近場位置和聚類結(jié)果集中的各樣本分配權(quán)值，加權(quán)計算獲得最終聲源位置。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體步驟如下：

(1)初始化節(jié)點數(shù)據(jù)集：

(1a)將遠場麥克風陣列節(jié)點的波達方向估計值和節(jié)點位置信息，組成遠場節(jié)點數(shù)據(jù)集，遠場節(jié)點數(shù)據(jù)集中節(jié)點的總數(shù)為q，q為大于4的正整數(shù)；

(1b)將近場麥克風陣列節(jié)點的波達方向估計值、距離信息、節(jié)點位置信息，組成近場節(jié)點數(shù)據(jù)集，近場節(jié)點數(shù)據(jù)集中節(jié)點的總數(shù)為m，m為大于1的正整數(shù)，并且滿足m+q＝9；

(2)按照下式，計算無線聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中聲源的近場位置：