[發明專利]一種基于聲源陣列的空間麥克風定位方法

有效

• 申請號: 201810611951.0
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN108646221B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 楊鵬;翟葆朔;孫昊;陳曉輝;王碩朋
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01S5/26
• 分類號: G01S5/26
• 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

1.一種基于聲源陣列的空間麥克風定位方法，其特征在于具體步驟如下：

第一步，設定基于聲源陣列的空間麥克風定位方法所用的設備：

在一個三維空間內，設定基于聲源陣列的空間麥克風定位方法所用的設備，包括聲源分布單元、參考麥克風、待定位麥克風以及麥克風信號處理單元；其中，上述聲源分布單元由三個聲源按照三角形排列并且三角形排列為固定構成，這三個聲源分別為空間坐標為S1(x1,y1,z1)的聲源1、空間坐標為S2(x2,y2,z2)的聲源2和空間坐標為S3(x3,y3,z3)的聲源3，三個聲源同時發出三個頻帶不同的聲音信號；上述參考麥克風為一個麥克風，其分別到三個聲源中的第i個聲源的距離為d_i，其中i＝1,2,3，且這三個距離固定且已知，同時該參考麥克風設置在保證能接收到聲源分布單元所發出的聲音信號的范圍之內；將其固定在物體上即可計算出物體的位置信息，其數量為N≥1，被安置在三維空間中的能保證接收到聲源分布單元所發出的聲音信號的范圍內；麥克風信號處理單元被集成在參考麥克風和待定位麥克風上，用以處理麥克風接收到的聲源分布單元所發出的聲音信號同時計算其自身位置的信息；上述三個頻率不同的聲源與上述參考麥克風的位置排放在二維平面內，并構成四邊形；

第二步，設定聲源分布單元的聲音傳播滿足線性波動方程，計算第j個待定位麥克風到聲源分布單元的三個聲源中的第i個聲源的距離：

在上述第一步所述的三維空間內，設定空間內的環境在聲音信號測定的時間內不變，上述第一步中設定的聲源1、聲源2和聲源3同步產生聲音信號s_i(t)，待定位麥克風中的第j個待定位麥克風接收到的聲音信號x_ij(t)則是室內脈沖響應與聲源發出的聲音信號的卷積結果，設聲源分布單元發出的聲音信號為s_i(t)，上述第一步中設定的第j個待定位麥克風接收到的聲音信號x_ij(t)即室內脈沖響應與聲源發出的聲音信號的卷積結果由如下公式(1)所示，

公式(1)中，x_ij(t)，其中i＝1,2,3,j＝1,2.....N，為室內脈沖響應與聲源發出的聲音信號的卷積結果，τ_ij(t)，其中i＝1,2,3,j＝1,2.....N，為聲源信號到第j個待定位的麥克風的時間延遲，n_i(t)，其中i＝1,2,3，為環境噪聲，“*”為卷積算子，聲源信號為s_i(t)，其中i＝1,2,3，和環境噪聲n_i(t)，其中i＝1,2,3，互不相關，

通過聲達時間法與上述第一步中設置的聲源分布單元與上述第一步中設定的參考麥克風之間的距離關系即可計算上述第一步中設置的第j個待定位麥克風到上述第一步中設置的聲源分布單元的三個聲源中的第i個聲源的距離如下公式(2)所示，

d_ij＝L_i+ΔT_ij·c (2)，

公式(2)中，ΔT_ij，其中i＝1,2,3,；j＝1,2.....N，為上述第一步中設置的第j個待定位麥克風與參考麥克風接收到上述第一步中的聲源分布單元的三個聲源中的第i個聲源發出的聲音信號的時間差，c為空氣中聲音的傳播速度，L_i，其中i＝1,2,3，為第一步中三個聲源中的第i個聲源到參考麥克風的距離,由此計算出第j個待定位麥克風到聲源分布單元的三個聲源中的第i個聲源的距離；

第三步，計算出待定位麥克風的空間位置：

在上述三維空間中，設定實現空間麥克風定位的已知位置的參考節點最少為3個，分別為坐標為(x₁，y₁，z₁)的A參考節點、坐標為(x₂，y₂，z₂)的B參考節點和坐標為(x₃，y₃，z₃)的C參考節點，再設定O為未知位置的待定位節點，最少由上述四個節點單元組成一個最小的三維立體空間定位系統，參考節點A到待定位節點O之間的距離為d_1j，參考節點B到待定位節點O之間的距離為d_2j，參考節點C到待定位節點O之間的距離為d_3j，由如下公式(3)、(4)、(5)、(6)計算出待定位麥克風的空間位置，

z＝V/S_ΔABC (5)，

坐標為(x₁，y₁，z₁)的A參考節點、坐標為(x₂，y₂，z₂)的B參考節點和坐標為(x₃，y₃，z₃)的C參考節點分別被指定為上述第一步中設置的空間坐標為S1(x1,y1,z1)的聲源1、空間坐標為S2(x2,y2,z2)的聲源2和空間坐標為S3(x3,y3,z3)的聲源3的三個聲源，待定位節點O為上述第一步中設置的第j個待定位麥克風，那么，b,a,f分別為待定位節點O，到坐標為(x₁，y₁，z₁)的A參考節點、坐標為(x₂，y₂，z₂)的B參考節點和坐標為(x₃，y₃，z₃)的C參考節點的距離差，c,d,e,分別為A與B參考節點，A與C參考節點，B與C參考節點之間的距離，S_ΔABC為A、B、C三個參考節點所構成的三角形的面積，V為上述第一步中設置的聲源1、聲源2和聲源3與上述第一步中設置的第j個待定位麥克風所構成的四面體的體積，由上述四面體體積公式(3)-(5)得到上述第一步中設置的第j個待定位麥克風在上述三維空間中z的坐標，將其帶入公式(6)中，解得上述第一步中設置的第j個待定位麥克風在上述三維空間中x,y的坐標，由此計算出待定位麥克風的空間位置。

2.根據權利要求1所述一種基于聲源陣列的空間麥克風定位方法，其特征在于：所述麥克風信號處理單元為型號不限的微處理器，用于處理麥克風采集到的聲音信號，計算待定位麥克風的位置坐標。