[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

本發明公開了一種基于麥克風陣列的室內定位與建圖方法，該方法是先在室內不同位置分別布置麥克風陣列和單個聲源，發聲采集后提取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；然后根據AIRs反映的直達信號，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；再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，構建室內二維輪廓地圖。相對傳統同類聲傳感室內建圖系統而言，本發明方法不僅達到建圖需求，還避免多次測量，提高了重構性能，在簡化測量和提高反射面估計的抗噪性的同時，也保證計算速度。

技術領域

本發明涉及定位與建圖方法，具體是基于麥克風陣列的室內定位與建圖方法。

背景技術

隨著基于用戶位置信息的相關技術的應用和發展，位置服務(LBS，LocationBased Services)又稱定位服務，已經成為人們日常工作、生活所必須的一項基本服務需求。實際上，室內環境的幾何模型和地圖對于諸如室內定位、機器人導航等LBS應用至關重要。對于室內地圖未知的情況下，可以利用包含室內幾何信息的視覺、電磁或聲學信號構建室內地圖。

聲學信號在室內的反射等一定程度上反映了室內布置和地圖信息，且相比電磁波、光波擁有更低的波速，測距更加精準，且成本低，在室內環境中易于布置和移動，被大量應用于室內定位和建圖等各個領域中。國內外目前較為成熟的聲傳感室內建圖技術主要是基于機器人平臺的即時定位與地圖構建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)，因為其過高的成本和特定的條件依賴，未能得到推廣。

基于麥克風陣列的室內定位和建圖技術優點在于無需預布置其它基礎設施，且聲信號相對于其它信號更容易生成和處理。麥克風陣列在時域和頻域的基礎上增加了空間域，避免采用其它移動測量方式時產生的累積位置誤差，增強了對聲音信息的處理能力，提高定位及重構性能。此外，幾何聲學領域提出：混響房間環境下若聲波發出大量聲線，聲線碰到壁面后作鏡像反射，那么在接收處得到的室內脈沖響應由直達和各階反射聲脈沖組成，稱為AIR。AIR中的各階脈沖的到達時間(Time of Arrival,TOA)信息反映了有關聲源位置、房間分布的距離和幾何信息，因此可以用于室內定位和建圖。

已有部分單發單收或自發自收的室內建圖系統，對于單一反射面的估計需要單聲源移動測量多次，此位移過程中累積位置誤差降低了其定位與重構性能；少數文獻則主要根據虛聲源鏡像模型的幾何約束對反射面進行估計，受噪聲影響較大。

發明內容

針對現有室內空間幾何建圖技術普遍存在較高設備依賴性及高計算復雜度等缺點，本發明利用聲源與麥克風陣列采集聲信號計算AIRs，并利用AIR和麥克風陣列之間的幾何距離信息求出聲源與反射面位置，構建室內二維輪廓地圖，不僅達到建圖需求，還避免多次測量，提高了重構性能。

實現本發明目的的技術方案是：

基于麥克風陣列的室內定位與建圖方法，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TDOA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；

(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。

步驟(1)所述AIR計算及峰值檢測方法，包括如下步驟：