[發明專利]基于麥克風陣列的室內定位與建圖方法

在審

• 申請號: 201811631579.6
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109709520A
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 王玫;覃虹菱;宋浠瑜;仇洪冰;周陬;李悟;李凱華;孫昊彬;李芳足
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01S5/30
• 分類號: G01S5/30
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 陸夢云

1.基于麥克風陣列的室內定位與建圖方法，其特征是：包括如下步驟：

(1)AIR計算及峰值檢測：在室內不同位置分別布置麥克風陣列和單個聲源，發聲采集后通過時頻變換處理提取出一系列AIRs，通過AIRs反映出聲源、麥克風陣列和墻體之間的不同距離關系；

(2)聲源定位及TOAs估計：根據AIRs反映的聲源與麥克風陣列距離的直達信號，采用直達波的TDOA方式進行定位，估計直達信號與各階反射的脈沖到達時間TOAs；

(3)墻體反射面估計：根據聲信號在室內環境傳播模型中關于墻體一階反射的幾何關系，以聲源和麥克風為焦點、AIRs中一階反射脈沖代表的距離為長軸，構成與墻體相切的橢圓，求出墻體位置；

(4)構建室內二維輪廓地圖。

2.根據權利要求1所述的室內定位與建圖方法，其特征是：步驟(1)所述AIR計算及峰值檢測方法，包括如下步驟：

1)對采集的原始音頻序列進行預處理，得到適宜長度的音頻信號r(n)，并通過帶通濾波，抑制噪聲干擾；

2)將得到的短時音頻序列r(n)和發送序列s(n)做快速歸一化互相關(fastnormalized cross correlation，FNCC)，得到初步AIR：

3)先包絡檢波，再通過匹配濾波器，將h_i(n)中脈沖附近的包圍波紋均衡為易于選取時間采樣的尖銳脈沖：

其中為直達波到達采樣，N為脈沖響應近似長度。

3.根據權利要求1所述的室內定位與建圖方法，其特征是：步驟(2)所述聲源定位及TOAs估計方法是采用列文伯格-馬夸爾特算法(Levenberg-Marquardt Algorithm,LMA)，其計算步驟如下：

1)確定已知參數：麥克風陣列位置坐標r_i，麥克風陣元到聲源的TDOA距離

2)設定其它參數：多徑信道的噪聲功率矩陣初始迭代位置r_s⁽¹⁾；

3)基于最小二乘誤差函數進行聲源位置r_s的迭代更新計算：

其中Φ^T(r_s^(k))為Φ^T(r_s^(k))的雅克比矩陣；

4)在實際計算中，使用附加參數來判定是否收斂：

ρ^(k)＝(ε(r_s^(k))-ε(r_s^(k+1)))/(g^(k),T(A^(k)+λ^(k)I)^-Tλ^(k)(A^(k)+λ^(k)I)^-1g^(k)+g^(k)) (4)

若ρ^(k)>0則收斂，同時更新阻尼參數若發散則不進行更新，進而增大阻尼參數λ^(k+1)的值。

4.根據權利要求1所述的室內定位與建圖方法，其特征是：步驟(3)所述墻體反射面估計基于聲源、麥克風陣列與墻體之間的橢圓幾何約束關系，其計算步驟如下：

1)對于聲源與每個麥克風的收發組合，從其AIR中一階反射對應脈沖得到其關于墻體的反射距離。由此三要素便可得到與墻體相切的橢圓約束表示矩陣C_i；

2)聯合單聲源與麥克風陣列的一系列橢圓約束組合，基于最小二乘思想設立關于這組橢圓公切線l＝[l₁,l₂,l₃]^T(即墻體)的成本函數：

3)解得墻體位置的二維直線表示：