CN101957442A - 一种声源定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种声源定位装置，涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定位的装置，是三维空间声源目标定位装置，由听觉传感器、声源信号微处理器和上位机系统三部分构成。所述听觉传感器是四元正四面体结构的麦克风阵列，四个麦克风分别位于该正四面体结构的四个顶点；所述声源信号微处理器由声音信号放大模块、分析锁存模块和通信传输模块构成；所述上位机系统由定位计算方法和外围设备构成。各个部分和各个模块之间的硬件部分均用导线相互连接。本发明一种声源定位装置实现了在三维空间中对任意位置声源的准确定位，由此构建全方位的“听觉场景”，其结构简单、精度较高、且具有抗噪能力。

Description

一种声源定位装置 

技术领域

本发明的技术方案涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定位的装置，具体地说是一种声源定位装置。 

背景技术

现今，随着仿生技术应用领域的不断扩展，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多研究领域的重要课题。可以说，听觉是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人-机-环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集系统中，听觉可以与视觉相配合弥补其视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定位声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定位装置在医疗、服务和军事等诸多领域都具有重要的应用价值。 

现有的声源定位装置大都只能够在没有背景噪声的理想环境下对声源目标进行定位，而且其在结构上冗余复杂。由于声波非常敏感，被测量的声场很容易受到测量装置本身的干扰，从而影响测量的精度。若麦克风阵列中传感器的数量较多、结构较复杂，不仅需要较高的制作成本，而且会直接影响到声波的自由扩散，严重时会导致测量结果的错误。另外，在三维空间中由于受到俯仰角和距离等因素的影响，对声源目标的定位精度会产生较大误差。CN201166703报道的“公路声源定位控制系统”，采用五元五面体的阵列结构，其定位精度只有在大俯仰角的远场情况下才比较理想，无法实现在三维空间中对任意位置声源的准确定位。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种声源定位装置，是三维空间声源目标定位装置。该声源定位装置实现了在三维空间中对任意位置声源的准确定位，由此构建全方位的“听觉场景”，其结构简单、精度较高，且具有抗噪能力。 

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种声源定位装置，是三维空间声源目标定位装置，由听觉传感器、声源信号微处理器和上位机系统三部分构成，其中，所述听觉传感器是四元正四面体结构的麦克风阵列，四个麦克风分别位于该正四面体结构的四个顶点；所述声源信号微处理器由声音信号放大模块、分析锁存模块和通信传输模块构成；所述上位机系统由定位计算方法和外围设备构成。听觉传感器与声源信号微处理器之间的硬件部分、声源信号微处理器与上位机系统之间的硬件部分、声音信号放大 模块和分析锁存模块之间的硬件部分、分析锁存模块和通信传输模块之间的硬件部分均用导线相互连接。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构是用硬质材料做成的正四面体构架，其尺寸是四面体的边长为24.14cm。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构的麦克风阵列中所用的麦克风是全向型电容式麦克风。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构的麦克风阵列中所用的麦克风是全向型电容式麦克风类型中的柱极式麦克风。 

上述一种声源定位装置，在所述声源信号微处理器中：声音信号放大模块包括集成运算信号放大器、增益调整电位器和信号指示灯；分析锁存模块主要包括电压比较器、触发器和单片机，其电路构成如图5所示；通信传输模块是串口通信设备。 

上述一种声源定位装置，所述声源信号微处理器中分析锁存模块的操作程序流程是： 

第一步，上电后，对单片机中的存储器和寄存器中各个数据进行初始化，初始化完成后转第二步； 

第二步，启动单片机的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz，完成后转第三步； 

第三步，周期循环查询触发器是否有电平变化，若触发器电平无变化则返回周期循环查询，当触发器电平发生变化时，记录电平变化的时间并存储，也即是可编程计数器的对应数值，完成后转第四步； 

第四步，停止可编程计数器并存储数据，完成后转第五步； 

第五步，通过串口通信设备，将单片机存储器中的数据发送到上位机系统，同时将触发器和单片机复位，完成后转入第二步。 

上述一种声源定位装置，所述上位机系统中的定位计算方法如下： 

在如图10所示的正四面体阵列的结构中， 

正四面体的四个顶点S₁、S₂、S₃和S₄分别为四个麦克风，O既为笛卡尔坐标系的原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为目标点，坐标为Q(x，y，z)，坐标原点到目标点OQ的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ’，定义OQ’与x轴的夹角为α，OQ 与Z轴的夹角为β； 

假设S₁到坐标原点O的距离为a米，则四个麦克风的坐标分别为： 

S₁＝(a，0，0)、 

和 

如果用c表示声速，设Q到四个麦克风的距离分别为r₁米、r₂米、r₃米、r₄米，则目标声音信号到达S₄与到达其它麦克风的距离之差为： 

d_4i＝r₄-r_i＝c·t_4i  (i＝1、2、3) 

根据麦克风阵列的拓扑结构，可得如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+z^2=r^2\\ x^2+y^2+{(z-\frac{\sqrt{5}}{2}a)}^2=r_4^2\\ {(x+\frac{1}{2}a)}^2+{(y-\frac{\sqrt{3}}{2}a)}^2+z^2={(r_4+d_{43})}^2\\ {(x+\frac{1}{2}a)}^2+{(y+\frac{\sqrt{3}}{2}a)}^2+z^2={(r_4+d_{42})}^2\\ {(x-a)}^2+y^2+z^2={(r_4+d_{41})}^2\end{array}\right.$

考虑到实际应用中，声源到麦克风阵列的距离r应大于1米，而各个麦克风的间距d为22～24厘米，当声源与麦克风阵列的距离远大于麦克风之间的间距时，即 

采用远场模型近似并综合参考已有各种平面及立体阵列的推导原理，最终得出声源的方位角公式为： 

$\mathrm{\α}\≈\arctan \left(\sqrt{3}\frac{d_{42}-d_{43}}{d_{42}+d_{43}-2d_{41}}\right).$

上述一种声源定位装置，所述的电压比较器是集成运算放大器，所述的单片机是8位单片机。 

上述一种声源定位装置，所述的信号指示灯是发光二极管。 

上述一种声源定位装置，所述的增益调整电位器的总阻值在10k至100k之间。 

上述一种声源定位装置，所涉及的麦克风、集成运算信号放大器、增益调整电位器、图5中标出的所有元器件、串口通信设备和上位机系统中由显示器、主机、键盘和鼠标构成的外围设备均是公知的商购器件，所有模块和元器件之间的连接方法是本领域技术人员均能掌握的，所述全向型电容式麦克风是一种固定类型的麦克风，市面上可以买到，所述增益调整电位器是普通电位器，总阻值在10k至100k之间均可用。 

本发明的有益效果是： 

本发明一种声源定位装置的突出的实质性特点在于： 

(1)听觉传感器的信号采集的特点 

由于声源定位算法在很大程度上依赖于听觉传感器的数量和拓扑结构，本发明设计了由四个麦克风组成的麦克风阵列，如下图11所示： 

上图中，1、2、3、4分别代表四个独立的麦克风，它们共同组成了正四面体结构的麦克风阵列。相对于传统的平面阵列，这种球面阵列在三维空间中的分辨率更高。为了减少声音信号混响的干扰，以及由于声波衍射和折射带来的采集误差，要尽量保证麦克风周围没有障碍物的遮挡，所以本发明设计选用全向型电容式麦克风，而且在设计麦克风阵列时尽量保证其结构简单。 

(2)声源信号微处理器中声音信号放大模块的信号预处理的特点 

单单依靠电容式麦克风的拾音能力是远远不够的。这种麦克风的输出电压大都在零到几十毫伏之间，如此微弱的电信号无法满足后期信号处理工作的要求。因此，有必要对麦克风采集到的信号进行放大。本发明采用性能较稳定的集成运算放大器对采集信号进行二级放大。然而，即使是选用相同型号的电路元件，在焊接为成品后也不一定能拥有完全相同的放大特性，所以，本发明加入了增益调整电位器，以便在后期调试时减少由于硬件特性不同而产生的误差。另外，为了实时观测信号的采集情况，还应用发光二极管制作输出信号指示灯，指示信号的强弱变化。 

另外，考虑到听觉定位系统的鲁棒性和实时性，本发明用集成运算放大器作为电压比较器(其电路接法如图5)，使听觉定位系统具有一定的抗噪能力。并且，该电压比较器的参考电压是可以随背景噪声的大小进行调节的。该电压比较器接收的输入信号如图8；该电压比较器的输出信号如图9所示。图8显示电压比较器所接收的输入的放大后的模拟信号，此为随机信号，即包括目标信号和背景噪声的混合信号；图9显示该电压比较器的输出信号则为连续的方波信号。从某种意义上来说，电压比较器是对声电信号进行了整形，使大于背景噪声的信号以方波的形式输出。 

(3)声源信号微处理器中分析锁存模块的捕捉时间点的特点 

为了使阵列中各个麦克风均能精确地捕捉目标声音到达的时间点，这里采用的单片机是8位单片机，即是8位声源信号微处理器，再配合触发器进行捕捉目标声音到达的时间点。具体实现方法如图5所示，首先启动单片机中的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz，声源信号经过电压比较器整形后，产生连续方波脉冲，当第一个 脉冲到达触发器时，触发器改变并保持电平，单片机记录电平变化的时间，即可编程计数器的对应数值，并存储，输出端发光二极管随即发生变化，指示声源信号起始点已被锁存，随后等待4路麦克风的声源信号相继到达后，再利用通信传输模块即串口通信设备将4个存储的时间点发送到上位机系统，与此同时，将触发器电平和单片机复位。 

(4)上位机系统中的定位计算方法特点 

上文中已经描述了详细的定位计算方法。采用如此基于声达时间差的计算方法，获得了目标声源的精确方位信息，并通过上位机系统中的外围设备进行输出。 

本发明一种声源定位装置的显著的进步在于： 

与现有技术相比，本发明的一种声源定位装置，采用四元正四面体结构的麦克风阵列作为听觉感知系统，经过声源信号微处理器的分析处理，应用基于声达时间差的定位计算方法，能在含有背景噪声的实际环境中，实现在三维空间中对任意位置声源的准确定位，由此构建全方位的“听觉场景”，其结构简单、精度较高和具有抗噪能力。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1为本发明一种声源定位装置的构成示意框图。 

图2为本发明中的听觉传感器的麦克风阵列结构图。 

图3为本发明中的声源信号微处理器的构成示意框图。 

图4为本发明中的声源信号微处理器的声音信号放大模块的构成和工作过程示意框图。 

图5为本发明中的声源信号微处理器的分析锁存模块的构成和电路示意图。 

图6为本发明中的上位系统的外围设备构成示意图。 

图7为本发明中的声源信号微处理器的操作程序流程图。 

图8为本发明中的声源信号微处理器的分析锁存模块的电压比较器的输入信号。 

图9为本发明中的声源信号微处理器的分析锁存模块的电压比较器的输出信号。 

图10为正四面体阵列的结构坐标图。 

图11为本发明中的四个麦克风组成的麦克风阵列的坐标图。 

图中，1.听觉传感器，2.声源信号微处理器，3.上位机系统，4.麦克风，5.声音信号放大模块，6.分析锁存模块，7.通信传输模块，8.集成运算信号放大器，9.增益调整电位器，10.信号指示灯，11.电压比较器，12.触发器，13.单片机，14.主机，15.显示器，16.键盘，17.鼠标。 

具体实施方式

图1所示实施例表明本发明一种声源定位装置由听觉传感器1、声源信号微处理器2和上位机系统3三部分构成。首先，由听觉传感器1感知和多路采集目标声源发出的声音信号，接着被多路采集的声源信号经过声源信号微处理器2的处理后，得到各自声音信号起始点的时间信息，最后由上位机系统3中基于声达时间差的计算方法获取声源 的位置信息，并通过上位机系统的外围设备的显示器输出。听觉传感器1与声源信号微处理器2之间的硬件部分、声源信号微处理器2与上位机系统3之间的硬件部分均用导线相互连接。 

图2所示实施例表明本发明一种声源定位装置的听觉传感器1是四元正四面体结构的麦克风阵列，四个独立且特性相同麦克风4分别位于该正四面体结构的四个顶点。麦克风4选用全向型电容式麦克风，特别是优选柱极式麦克风。该四元正四面体结构是用硬质材料做成的正四面体构架，其尺寸是四面体的边长为24.14cm。 

图3所示实施例表明本发明一种声源定位装置的声源信号微处理器2由声音信号放大模块5、分析锁存模块6和通信传输模块7构成。声音信号放大模块5和分析锁存模块6之间的硬件部分、分析锁存模块6和通信传输模块7之间的硬件部分均用导线相互连接。 

由听觉传感器1采集到的四路声音信号是很微弱的，不能直接进行分析和处理，这些微弱的电信号要同时经过声音信号放大模块5进行放大，再经过分析锁存模块6对声电信号进行整形，使大于背景噪声的信号以方波的形式输出，并且完成对声源信号到达时间点的捕捉，最终由通信传输模块7将所得到的各自声音信号起始点的时间信息传送给上位机系统3。 

图4所示实施例表明本发明一种声源定位装置的声音信号放大模块5是由集成运算信号放大器8、增益调整电位器9和信号指示灯10构成，其工作过程是：由集成运算信号放大器8对来自听觉传感器1的采集信号，即麦克风阵列输入信号进行二级放大，并用增益调整电位器9调节二级放大的信号幅度，以便在后期调试时减少由于硬件特性不同而产生的误差，信号指示灯10用来实时观测信号的采集情况，最后向分析锁存模块6输出信号。增益调整电位器9选用总阻值在10k至100k之间的普通电位器，输出信号指示灯10优选发光二极管制作。 

图5所示实施例表明本发明一种声源定位装置的分析锁存模块6的构成和电路.图5中，电压比较器11将放大后的电信号同时与代表背景噪声的电平进行比较，电压比较器11的参考电压是可以随背景噪声的大小进行调节的，电压比较器11对声电信号进行了整形，使大于背景噪声的信号以方波的形式输出。启动单片机13的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz。当第一个脉冲到达触发器12时，触发器12改变并保持电平，单片机13记录电平变化的时间，即可编程计数器的对应数值，并存储，输出端发光二极管随即发生变化，指示声源信号起始点已被锁存。等待4路麦克风的声源信号相继到达后，再利用通信传输模块7即串口通信设备将4个存储的时间点发送到上位机系统3，与此同时将触发器12和单片机13复位。图5所示该分析锁存模块6的构成包括电压比较器11、触发器12、单片机13、电位器、电阻R、电阻R₁、发光二极管、电源1、电源2和电源3。电压比较器11是集成运算放大器，单片机13是8位单片机，即是8位声源信号微处理器。 

图6所示实施例表明本发明一种声源定位装置的上位机系统的外围设备由主机、显示器、键盘和鼠标构成。 

图7所示实施例表明本发明一种声源定位装置的声源信号微处理器2的分析锁存模块6的操作程序流程如下： 

第一步，上电后，对单片机13中的存储器和寄存器中各个数据进行初始化，初始化完成后转第二步； 

第二步，启动单片机13的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz，完成后转第三步； 

第三步，周期循环查询触发器12是否有电平变化，若触发器12电平无变化则返回周期循环查询，当触发器12电平发生变化时，记录电平变化的时间并存储，也即是可编程计数器的对应数值，完成后转第四步； 

第四步，停止可编程计数器并存储数据，完成后转第五步； 

第五步，通过串口通信设备即是通信传输模块7，将单片机13的存储器中的数据发送到上位机系统3，同时将触发器12和单片机13复位，完成后转入第二步。 

图8所示实施例表明本发明一种声源定位装置的分析锁存模块6中的电压比较器11所接收的输入信号，该输入信号放大后的模拟信号为随机信号，包括目标信号和背景噪声的混合信号。 

图9所示实施例表明本发明一种声源定位装置的分析锁存模块6中的电压比较器11的输出信号，该输出信号为连续的方波信号。 

实施例1 

一种声源定位装置的上位机系统3中的定位计算方法如下： 

在图10所示的正四面体阵列的结构中， 

正四面体的四个顶点S₁、S₂、S₃和S₄分别为四个麦克风，O既为笛卡尔坐标系的原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为目标点，坐标为Q(x，y，z)，坐标原点到目标点OQ的距离为r米，OQ在XOY平面的投影为OQ’，定义OQ’与X轴的夹角为α， OQ与Z轴的夹角为β； 

假设S₁到坐标原点O的距离为a＝0.141米，则四个麦克风的坐标分别为： 

S₁＝(a，0，0)、 

和 

如果用c表示声速，设Q到四个麦克风的距离分别为r₁米、r₂米、r₃米、r₄米，则目标声音信号到达S₄与到达其它麦克风的距离之差为： 

d_4i＝r₄-r_i＝c·t_4i  (i＝1、2、3) 

根据麦克风阵列的拓扑结构，可得如下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+z^2=r^2\\ x^2+y^2+{(z-\frac{\sqrt{5}}{2}a)}^2=r_4^2\\ {(x+\frac{1}{2}a)}^2+{(y-\frac{\sqrt{3}}{2}a)}^2+z^2={(r_4+d_{43})}^2\\ {(x+\frac{1}{2}a)}^2+{(y+\frac{\sqrt{3}}{2}a)}^2+z^2={(r_4+d_{42})}^2\\ {(x-a)}^2+y^2+z^2={(r_4+d_{41})}^2\end{array}\right.$

设计声源到麦克风阵列的距离r为1.1米，而各个麦克风的间距d为22厘米，当声源与麦克风阵列的距离远大于麦克风之间的间距时，即 

采用远场模型近似并综合参考已有各种平面及立体阵列的推导原理，最终得出声源的方位角公式为： 

$\mathrm{\α}\≈\arctan \left(\sqrt{3}\frac{d_{42}-d_{43}}{d_{42}+d_{43}-2d_{41}}\right).$

实施例2 

除设计声源到麦克风阵列的距离r为2.07米，而各个麦克风的间距d为23厘米之外，即 

其他同实施例1，最终得出声源的方位角公式为： 

$\mathrm{\α}\≈\arctan \left(\sqrt{3}\frac{d_{42}-d_{43}}{d_{42}+d_{43}-2d_{41}}\right).$

实施例3 

除设计声源到麦克风阵列的距离r为3米，而各个麦克风的间距d为24厘米之外，即 

其他同实施例1，最终得出声源的方位角公式为： 

$\mathrm{\α}\≈\arctan \left(\sqrt{3}\frac{d_{42}-d_{43}}{d_{42}+d_{43}-2d_{41}}\right).$

Claims (10)

1.一种声源定位装置，其特征在于：是三维空间声源目标定位装置，由听觉传感器、声源信号微处理器和上位机系统三部分构成，其中，所述听觉传感器是四元正四面体结构的麦克风阵列，四个麦克风分别位于该正四面体结构的四个顶点；所述声源信号微处理器由声音信号放大模块、分析锁存模块和通信传输模块构成；所述上位机系统由定位计算方法和外围设备构成。听觉传感器与声源信号微处理器之间的硬件部分、声源信号微处理器与上位机系统之间的硬件部分、声音信号放大模块和分析锁存模块之间的硬件部分、分析锁存模块和通信传输模块之间的硬件部分均用导线相互连接。

2.按照权利要求1所述一种声源定位装置，其特征在于：所述四元正四面体结构是用硬质材料做成的正四面体构架，其尺寸是四面体的边长为24.14cm。

3.按照权利要求1所述一种声源定位装置，其特征在于：所述四元正四面体结构的麦克风阵列中所用的麦克风是全向型电容式麦克风。

4.按照权利要求3所述一种声源定位装置，其特征在于：所用的全向型电容式麦克风是柱极式麦克风。

5.按照权利要求1所述一种声源定位装置，其特征在于：在所述声源信号微处理器中，声音信号放大模块包括集成运算信号放大器、增益调整电位器和信号指示灯；分析锁存模块主要包括电压比较器、触发器和单片机，其电路构成如图5所示；通信传输模块是串口通信设备。

6.按照权利要求5所述一种声源定位装置，其特征在于：所述的电压比较器是集成运算放大器，所述的单片机是8位单片机。

7.按照权利要求5所述一种声源定位装置，其特征在于：所述的信号指示灯是发光二极管。

8.按照权利要求5所述一种声源定位装置，其特征在于：所述的增益调整电位器的总阻值在10k至100k之间。

9.按照权利要求1所述一种声源定位装置，其特征在于：所述声源信号微处理器中分析锁存模块的操作程序流程是：

第一步，上电后，对单片机中的存储器和寄存器中各个数据进行初始化，初始化完成后转第二步； 

第二步，启动单片机的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz，完成后转第三步；

第三步，周期循环查询触发器是否有电平变化，若触发器电平无变化则返回周期循环查询，当触发器电平发生变化时，记录电平变化的时间并存储，也即是可编程计数器的对应数值，完成后转第四步；

第四步，停止可编程计数器并存储数据，完成后转第五步；

第五步，通过串口通信设备，将单片机存储器中的数据发送到上位机系统，同时将触发器和单片机复位，完成后转入第二步。

10.按照权利要求1所述一种声源定位装置，其特征在于：所述上位机系统中的定位计算方法如下：

在如图10所示的正四面体阵列的结构中，

正四面体的四个顶点S₁、S₂、S₃和S₄分别为四个麦克风，O既为笛卡尔坐标系的原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为目标点，坐标为Q(x，y，z)，坐标原点到目标点OQ的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ’，定义OQ’与X轴的夹角为α，OQ与Z轴的夹角为β；

假设S₁到坐标原点O的距离为a米，则四个麦克风的坐标分别为：

S₁＝(a，0，0)、 

和 

如果用c表示声速，设Q到四个麦克风的距离分别为r₁米、r₂米、r₃米、r₄米，则目标声音信号到达S₄与到达其它麦克风的距离之差为：

d_4i＝r₄-r_i＝c·t_4i  (i＝1、2、3) 

根据麦克风阵列的拓扑结构，可得如下方程组：

考虑到实际应用中，声源到麦克风阵列的距离r应大于1米，而各个麦克风的间距d为22～24厘米，当声源与麦克风阵列的距离远大于麦克风之间的间距时，即 

采用远场模型近似并综合参考已有各种平面及立体阵列的推导原理，最终得出声源的方位角公式为：

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