CN102901949B - 一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置。该方法步骤是：初始化，在多个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声节点；节点i发声，网络中其他节点计算出节点i相对于自身的坐标，并广播自身坐标；节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；节点f发声，网络中其他节点计算出节点f相对于自身的坐标，并广播自身坐标；网络中所有节点，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；完成相对定位，把节点f设置为节点i,转下个周期的相对定位。该装置根据本发明所述二维空间分布式声音相对定位方法设计。

Description

一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置

技术领域

本发明涉及声音测量技术，具体为一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置，主要适用于导航定位、环境监测、军事排爆和科学研究等领域。

背景技术

随着电子技术的不断发展以及受到自然界生物的启发，研究人员开始使用模拟生物视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官的电子设备对环境进行认识。在对环境认识过程中，单个或者多个测量设备本身的位置信息是对环境进行认识过程中的一个主要组成部分。另外，随着无线电及微电子技术的发展，无线节点的成本大大降低，从而利用固定或移动的无线传感器节点（如移动机器人）构建传感器网络对环境进行分布式认识很容易实现。给这样的传感器网络配备特定的传感器，可广泛应用于环境监测，战场中爆炸物排除，以及对矿井下事故的监测、预报等。在这些应用当中，传感器网络节点的位置信息显得尤为重要。GPS定位系统是目前广泛被采用的位置信息获取装置，但常规的GPS系统定位精度太低，如采用定位精度较高的差分GPS系统又存在体积大、价格昂贵等问题，不宜进行大批量部署。此外，视觉传感器也可以被用来获取网络节点的位置信息，但是其一般具有方向性，不能覆盖其周围360°的范围，尽管全局视觉定位装置能弥补上述缺点，但也存在结构复杂、价格贵、计算复杂度大等问题，因此也不适用于无线传感器网络节点。鉴于声波是以声源为中心，无数个球面波叠加而成，故若声源声音出口朝上，则可覆盖其周围360°的范围，加之声音探测器价格低廉，适合大批量部署，因此利用声音探测器获取位置信息在传感器网络应用方面具有明显的优势。

目前声音定位多用在辅助多媒体信息的采集。比如，在演讲大厅中，对演讲者进行定位，以控制摄像或录音设备对准演讲者，以提高拍摄、录音效果，在该应用中主要使用麦克风阵列中不同麦克风的声音强度来确定声源的方位，以提高声音采集的效果（参见“一种阵列麦克的声音定位方法和装置”，200810084727.7）。但这种定位方法只是对声源的方位进行大致的估计，并不能精确解算出声源相对于麦克风的位置坐标。此外，声音定位方法也被用于机器人引导（参见“一种基于声音引导的机器人定位装置”，200910219548.4）。这种引导装置被安装在机器人上，由机器人的控制单元控制发声装置发声，然后由机器人外固定位置的麦克风接收声音，并传送声音信号到定位单元，从而计算出机器人当前的坐标位置。机器人和定位单元之间通过无线模块进行通信，机器人根据无线模块传送来的坐标信息调整运动，向目标点行进，并最终到达目标点。上述方法在定位过程中，麦克风阵列中麦克风是分散排布在环境当中，而且麦克风之间的距离远大于声音的波长，因此属于集中式的远场定位方法。专利文献“无需时间同步的声音定位系统及方法”（200910219548.4）中，描述了一种在无线传感器网络中无需时间同步的声音定位系统。该系统包括：待定位节点，对外发出声源信号；两个以上的接收器，分为基准接收器和信标接收器两种，录制待定位节点发出的声源信号以及所述基准接收器对外发出的后继声源信号，并将录制结束后的录音数据输出给服务器；服务器接收各接收器输出的录音数据，并依据该录音数据计算出待定位节点的位置，将其显示在服务器上。服务器根据接收到的待定位节点发出的声音信号和信标节点发出的后续声音信号的时间差对待定位节点进行定位，因此，该方法是一种离线的全局声音定位方法。但其不足是传感器节点不能在本地直接解算出节点之间的相对位置坐标，定位算法实时性不能保证，而且录音装置结构复杂，数据存储量大。

综上所述，目前已有的声源定位方法很难直接应用于传感器网络节点的位置估计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置。该定位方法具有分布式、实时性好、鲁棒性高的特点；该定位装置具有结构简单、造价低、功耗小，且实时性好的特点，可使一定区域（直径为3m的圆形范围）内装有该装置的多个设备实现相对精确定位。

本发明解决所述定位方法技术问题的技术方案是，设计一种二维空间分布式声音相对定位方法，该定位方法采用以下步骤：

[1]初始化，在2-16个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声的节点；

[2]节点i发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点i相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；所述声音定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法；

[3]节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近的节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；

[4]节点f发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点f相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；

[5]网络中的所有节点，利用协调定位算法，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；所述的协调定位算法是指网络中的一个节点使用得到的发声节点相对于自身和其他节点的坐标，计算出其他所有不发声节点相对于该节点之坐标的方法；

[6]完成相对定位，把节点f设置为节点i,转步骤[1]，从而进行下个周期的相对定位。

本发明解决所述定位装置技术问题的技术方案是，设计一种二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于该定位装置根据本发明所述二维空间分布式声音相对定位方法设计，包括麦克风阵列、麦克风阵列架、支架杆、蜂鸣器、第一无线通信模块、固定柱、电路板、微控制器和第二无线通信模块；所述麦克风阵列由4个麦克风组成，均布焊接在圆环状麦克风阵列架上，并通过细导线与电路板电连接；电路板与麦克风阵列架水平平行布置，并用3或4个支架杆垂直连接在电路板与麦克风阵列架之间；蜂鸣器的喇叭口朝上安放在支架杆之间，并使其中心与麦克风阵列的几何中心在同一条中垂线上，采用固定柱固装在电路板上，同时把蜂鸣器的电源线焊接在电路板中的电源上；第一无线通信模块和第二无线通信模块对称布置在电路板的两侧，并利用其上的两组单排插针，分别安装在电路板上对应位置的插座上；微控制器焊接在蜂鸣器下面的电路板上；所述电路板上包括依次电连接的信号调理电路和数字信号处理电路；信号调理电路由顺序连接的前级放大、带通滤波和后级放大电路构成；信号处理电路由顺序连接的模数转换和数据处理电路构成；所述第一无线通信模块和第二无线通信模块分别与信号处理电路对应连接；所述信号调理电路与麦克风阵列连接；所述蜂鸣器与驱动电路驱动连接。

与现有技术相比，本发明定位方法选择麦克风之间的距离不大于声音波长的1/2，且对相关计算中的卷积运算加窗，因而减小了计算量，提高了实时性，避免了整周期的误差，增强了鲁棒性；采用无线通信信号作为同步声音发送和接收，简化了算法，同时使用四路接收信号之间简单运算，减小了随机噪声的影响，提高了估计精度；采用对等的网络结构设计，同时动态选择节点作为发声装置的相对定位方法，因而增强了定位系统的灵活性和鲁棒性。

本发明定位装置使用蜂鸣器发出的频率相对较高（1.7～3.5KHz）的单频声音作为目标信号，因而抑制了外界噪声，同时减小了装置的体积；选择了声音装置从发声到声音幅值上升到最大这段时间作为发声持续时间（10ms以内），因而改善了装置的实时性；使用工作频率不同、独立的两个无线通信模块分别用于声源同步和信息交互，因而消除了由于通信冲突造成的定位误差，提高了定位的精度。

实验验证表明，在装置数量小于16台的情况下，本发明方法和装置的协调定位的周期可以控制在1s之内。

附图说明

图1为本发明二维空间分布式声音相对定位装置一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明二维空间分布式声音相对定位装置一种实施例的电路结构示意图；

图3本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的麦克风阵列结构示意图；

图4本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的声源方向估计示意图；

图5本发明二维空间分布式声音相对定位方法一种实施例的声源分布区域示意图；

图6本发明二维空间分布式声音相对定位方法和装置一种实施例的多个装置协调定位示意图。

具体实施方式

本发明设计的二维空间分布式声音相对定位方法（简称定位方法或方法，参见图1-6），该定位方法采用以下步骤：

[1]初始化，在2-16个定位装置(不排除更多个设计，以下以五个装置为例说明)组成的网络中，随机设置一个装置i（这里选择装置1）作为发声节点；

[2]装置1发声，同时利用装置1自身的第一无线通信模块⑤通知装置2、3、4、5开始接收数据；

[3]装置2、3、4、5利用接收到的数据，根据式(1)-(8)独立计算出装置1相对于其自身装置2、3、4、5坐标系中的角度；利用式(9)-(11)独立计算出装置2、3、4、5到装置1的距离；

[4]装置2、3、4、5分别根据自身计算出的角度和距离信息，计算出装置1在各自坐标系下的坐标，并通过各自的第二无线通信模块⑨分别广播这一坐标信息；

[5]装置1根据接收到的坐标信息，计算出与其距离最近的一个装置（实施例为装置3）的方向与距离，利用其自身的第一无线通信模块⑤传递发声标志给该装置（装置3）；

[6]把[2]、[3]、[4]步骤中的装置1和装置3对调，重复步骤[2]、[3]、[4]，则所有节点都能得到装置1在装置2、3、4、5坐标系下的坐标和装置3在装置1、2、4、5坐标系下的坐标；

[7]根据式(12)-(13)，利用步骤[6]中得到的坐标信息，节点1、2、3、4、5分别计算所有节点在其自身坐标系下的坐标，即完成了二维空间分布式声音相对定位。

本发明方法中，与声音定位装置的传感器结构和硬件配置相对应，设计了单个声源的定位方法和多个节点协调定位的算法，以此最终实现分布式相对定位。

本发明方法中，所述声源（音）定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法。

1）声音定位算法

要实现相对声音定位，首先要保证单个定位装置能对单个声源进行定位。其中，麦克风阵列①的结构是最为关键的部分。其设计要考虑麦克风的个数、拓扑结构和体积等因素。不同的阵列结构会导致声音定位算法的复杂程度、准确性等方面的差异。为了使麦克风阵列①适用于传感器网络节点使用的定位系统，本发明中采用了由四个麦克风组成的麦克风阵列①来进行声源定位。麦克风阵列①的四个麦克风

和

设置成在十字形顶点的两两相对结构（参见图1、3所示，图3中：l表示两个相对麦克风之间的距离，α、β分别是坐标原点到声源之间的连线与X轴正向、Y正向之间的夹角，θ为声源方向估计的结果）。

a)声源方向估计

本发明方法中采用基于远场模型的声达时间差（Time Differences of Arrival，TDOA）的声音定位技术（参见图3-4，图3中的SS表示声源），设麦克风

和

之间的距离为l，则其接收到的含有噪声的信号x₁(n)和x₂(n)可以描述如下：

x₁(n)＝a₁s(n-τ₁)+v₁(n)    (1)

x₂(n)＝a₂s(n-τ₂)+v₂(n)    (2)

其中，s(n)是声源，τ₁、τ₂是声音从声源传播到两个麦克风的时间，a₁、a₂是声音衰减系数，v₁(n)、v₂(n)是不相关高斯白噪声。x₁(n)和x₂(n)的互相关函数可以表示为：

$R_{12}^{\mathrm{cc}}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left(x_1\left(n\right)x_1(n-\mathrm{\τ})\right)---\left(3\right)$

其中，E表示数学期望。

设声音到达麦克风

的时间差为τ₁₂。由于v₁(n)和v₂(n)是不相关的高斯白噪声，把式(1)和(2)代入式(3)可以得出：

$R_{12}^{\mathrm{cc}}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\left(a_1{a}_{2}s(n-{\mathrm{\τ}}_1)s(n-{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1)\right)=a_1{a}_2{R}_S(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{12})---\left(4\right)$

其中，R_S(τ-τ₁₂)是s(n)的自相关函数。根据相关函数的性质，

在τ＝τ₁₂时有最大值，因此τ₁₂为

取峰值时对应的τ值。

根据麦克风

的拓扑结构和三角形两边之差不大于三边的公理可知τ在一定的取值范围内取值，即：

$\mathrm{\τ}\∈(-\frac{l}{c},\frac{l}{c})---\left(5\right)$

其中c表示声音传播的速度。

本发明中，蜂鸣器发出的声音信号为单频信号，为了提高定位的精度和减小整个装置的体积，此处M1和M2，M3和M4之间的距离分别选择和

之间的距离，

和

之间的距离小于等于所用声音信号波长的1/2（或者：上述公式中的l设为不大于所用声音信号波长的1/2）。因此可以按(5)式限定自相关运算，从而可以减少计算量，提高实时性。

综上所述，则可得

与

之间的距离差d₁为：

d₁＝cτ₁₂    (6)

故可求得声源与麦克风阵列坐标系X轴正向的夹角α:

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{d}{l}=\arccos \frac{c\arg \max R_{12}^{\mathrm{cc}}\left(\mathrm{\τ}\right)}{l}---\left(7\right)$

同理，由(6)式求出

与

之间的距离差d₂和声源与麦克风阵列坐标系X轴正向的夹角β。根据d₁、d₂的正负号确定声源S所在的象限。

为了得到较为精确的角度值θ，按照下式(8)融合α、β:

θ＝0.5(sin²α+cos²β)α+0.5(cos²α+sin²β)(90-β)    (8)

根据声音信号的特性可知，在麦克风阵列中，麦克风之间的到声源的距离差越小，采集到的声音信号的波形差异性越小，则自相关得出的声音时间差越精确，式(8)正是基于这一原理进行构建的（参见图5，当声源位于图5中的区域Ⅰ、Ⅲ中时，d₁＜d₂，计算出的角度α更为精确，则估计声源方向的时候，α应该比β占有更高的比重，式(8)中的计算符合这一规则，故而融合α、β能得到更为精确的结果。

b)声源距离估计

根据所使用的远场模型，本发明中采用了声音到达时间(Time of Arrival,TOA)的方法估计声源到麦克风阵列的距离。这种方法的关键是得到蜂鸣器开始发声的时刻t₀和麦克风开始接收到声音信号的起始点t_s。对这两个时间的估计是本发明算法的关键。

考虑无线信号的传播速度远远大于声音的传播速度，无线信号传播3m所需的时间声音信号仅能传播3.4μm，该时延可以忽略不计。故而在设备作为声源工作的时候，在发声的同时，通过无线通信1广播一个字节的声音起始标志给此时处于定位状态的其他装置。处于定位状态的装置设备接收到声音起始标志位，开始对声音信号进行采集，并记当前时刻为t₀₀，由于无线模块发送起始标志以及蜂鸣器由控制到发声，存在一个固定的延时τ₀，故蜂鸣器真正开始发声的时刻t₀＝t₀₀+τ₀。设四个麦克风

和

采集的数据分别为x₁(n)、x₂(n)、x₃(n)和x₄(n)，为了降低噪声的干扰，首先选取其中峰值最高的一个x_max(n)，同时选取麦克风阵列中与之相对的一个麦克风的数据x_min(n)，记：

x(n)＝x_max(n)-x_min(n)    (9)

(9)式中计算出的数据x(n)可以降低甚至消除噪音对声音起始点t_s判断的影响，同时计算不会改变x_max(n)的起始点的位置。利用固定阈值法判断出声音信号的起始位置m，则可求得t_s：

$t_s=\frac{m}{f_s}---\left(10\right)$

其中，f_s为采样频率。

此时，可求得声源到四个麦克风和

中离声源最近的一个麦克风的距离：s′＝ct_s    (11)

根据声源相对于阵列的角度θ、s′和该麦克风在阵列中的位置，可以很容易求得声源到麦克风阵列的距离s。

根据对不同频率的蜂鸣器④进行测试，压电式蜂鸣器从发声到声音到达峰值需要经过至少10个周期t_ss,其中t_ss即为发出声音信号对应的频率。受蜂鸣器④体积和装置几何尺寸限制，蜂鸣器④的频率选择在1.7～3.4KHz之间，假设采样频率为120KHz，则使用3000个采样点即可进行定位计算。发声时间最长5.8ms，采样时间仅为25ms，因此明显提高了采样和计算效率，提高了声音定位的实时性。

本发明的上述声音定位算法经过实际的测试，在半径为3m的圆形区域内，角度误差均值在5°以内，标准差在2°以内，距离误差均值在20cm以内。

2）协调定位算法

协调定位算法是在上述的声音定位算法基础上提出的，是针对多个上述装置同时使用（参见图6），互相之间应该如何协调和传递信息，使得每个装置可以得到其探测范围（3m）内其他装置相对该装置自身坐标系的坐标；为了保证协调定位的实时性，在整个协调定位过程中，必须保证用最少装置发声实现相对定位。

在本发明中，经过简单的推导，假设定位装置在传感范围内(直径为3m的圆内)进行部署，只要不少于两台的装置相继作为声源存在，就可使得区域中的所有装置得到能够计算其他装置在自身坐标系下坐标的信息，此处，为了提高定位的实时性，只使用两台装置的蜂鸣器相继发声。

所述装置1、2、3、4和5（参见图6）随机摆放在不大于传感范围(直径3m圆)的二维空间内。对于单个装置而言，装置存在两种工作状态：声源状态和定位状态。在协调定位区域中，有一台装置处于声源状态（装置蜂鸣器发声），则区域内的其他装置作为定位状态存在。由于一个定位周期内，需要两台装置相继发声才能完成定位，故而如果装置有某一个时刻作为声源，则在发声完毕后，其状态需要转化为定位状态，故而这类装置定义为存在功能切换的装置；同时定义其他装置为不存在功能切换的装置。

整个相对定位算法可以描述为（以图6所示为例）：首先装置1作为声源发声，利用1）中声音定位的方法，则装置2、3、4和5可分别计算出装置1相对于自身坐标系的坐标P₂₁(x₂₁,y₂₁)、P₃₁(x₃₁,y₃₁)、P₄₁(x₄₁,y₄₁)和P₅₁(x₅₁,y₅₁)，并且每台装置分别通过自身携带的无线通信2广播计算出的信息和自身的ID，随后分别接收广播信息；然后装置3作为声源发声，同理，装置1、2、4和5可分别得到装置3相对于其自身坐标系的坐标P₁₃(x₁₃,y₁₃)、P₂₃(x₂₃,y₂₃)、P₄₃(x₄₃,y₄₃)和P₅₃(x₅₃,y₅₃)，同样，每台装置分别通过自身携带的无线通信2广播计算出的信息和自身的ID，随后分别接收广播信息；经过上述两个过程，装置1、2、3、4和5都可得到如下坐标信息：P₂₁(x₂₁,y₂₁)、P₃₁(x₃₁,y₃₁)、P₄₁(x₄₁,y₄₁)、P₅₁(x₅₁,y₅₁)、P₁₃(x₁₃,y₁₃)、P₂₃(x₂₃,y₂₃)、P₄₃(x₄₃,y₄₃)和P₅₃(x₅₃,y₅₃)。

要实现相对定位的目标，每台装置要得到传感区域内的其他全部装置相对于自己坐标系的坐标，对于上述装置1、3存在功能切换的装置而言，其缺失的为装置2、4和5在其坐标系下的坐标；此处，设坐标 $Q=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$ 是P(x,y)的向量表示，P₁₁(x₁₁,y₁₁)、P₃₃(x₃₃,y₃₃)分别为装置1和装置3分别在其自身坐标系下的坐标，故有x₁₁＝y₁₁＝x₃₃＝y₃₃＝0，考虑装置1，根据装置1所接收到的坐标数据有：

$Q_{12}=Q_{13}-\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\·Q_{23}=Q_{11}-\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\·Q_{21}---\left(12\right)$

其中： $\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}\arccos \left[\frac{(Q_{11}-Q_{13})\&CenterDot;(Q_{21}-Q_{23})}{|Q_{11}-Q_{13}||Q_{21}-Q_{23}|}\right]& (Q_{21}-Q_{23})\&times;(Q_{11}-Q_{13})<0\\ -\arccos \left[\frac{(Q_{11}-Q_{13})\&CenterDot;(Q_{21}-Q_{23})}{|Q_{11}-Q_{13}||Q_{21}-Q_{23}|}\right]& (Q_{21}-Q_{23})\&times;(Q_{11}-Q_{13})>0\end{array}\right.,$ 表示装置2的坐标系相对于装置1的坐标系旋转的角度，至此，装置1可得到P₁₂(x₁₂,y₁₂)；根据式(12)和其他接收到的信息，可求得P₁₄(x₁₄,y₁₄)和P₁₅(x₁₅,y₁₅)，从而装置1可以得到装置2、3、4和5在其自身坐标系下的坐标。同上方法，可求得装置1、2、4和5在装置3坐标系下的坐标。

考虑装置2，根据装置2所接收到的坐标数据有：

$Q_{24}=Q_{23}-\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\&CenterDot;Q_{43}=Q_{21}-\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&gamma;}& -\sin \mathrm{\&gamma;}\\ \sin \mathrm{\&gamma;}& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]\&CenterDot;Q_{41}---\left(13\right)$

其中： $\mathrm{\&gamma;}=\left\{\begin{array}{cc}\arccos \left[\frac{(Q_{21}-Q_{23})\&CenterDot;(Q_{41}-Q_{43})}{|Q_{21}-Q_{23}||Q_{41}-Q_{43}|}\right]& (Q_{41}-Q_{43})\&times;(Q_{21}-Q_{23})<0\\ -\arccos \left[\frac{(Q_{21}-Q_{23})\&CenterDot;(Q_{41}-Q_{43})}{|Q_{21}-Q_{23}||Q_{41}-Q_{43}|}\right]& (Q_{41}-Q_{43})\&times;(Q_{21}-Q_{23})>0\end{array}\right.,$ 表示装置4的坐标系相对于装置2的坐标系旋转的角度，至此，装置2可得到P₂₄(x₁₂,y₁₂)；根据式(13)和其他接收到的信息，可求得P₂₅(x₂₅,y₂₅)，从而装置2可以得到装置1、3、4和5在其自身坐标系下的坐标。同上方法，可分别求得装置2、5在装置4坐标系下的坐标和装置2、4在装置5坐标系下的坐标。至此，相对定位完成。

本发明同时设计了二维空间分布式声音相对定位装置（简称定位装置或装置，参见图1、2），该定位装置依据本发明所述二维空间分布式声音相对定位方法设计，主要包括：麦克风阵列①；麦克风阵列架②；支架杆③；蜂鸣器④；第一无线通信模块⑤；固定柱⑥；电路板⑦；微控制器⑧和第二无线通信模块⑨；所述麦克风阵列①均布焊接在麦克风阵列架②上，并通过细导线采用焊接的方式与电路板⑦连接；电路板⑦与麦克风阵列架②水平平行布置，并用3或4个支架杆③垂直连接在电路板⑦与麦克风阵列架②之间；蜂鸣器④的喇叭口朝上安放在支架杆③之间，并使其中心与麦克风阵列②的几何中心在同一条中垂线上，采用固定柱⑥固装在电路板⑦上，同时把蜂鸣器④上的电源线焊接在电路板⑦中的电源上；第一无线通信模块⑤和第二无线通信模块⑨对称布置在电路板⑦的两侧，并利用其上的两组单排插针，分别安装在电路板⑦上对应位置的插座上；微控制器⑧焊接在蜂鸣器④下面的电路板⑦上。

本发明所述装置各部分功能如下：麦克风阵列①用于采集声源发出的声音；麦克风阵列架②用来固定4个麦克风，使其排列在十字形的顶点；支架杆③用来固定麦克风阵列架②；蜂鸣器④作为声源，用来产生定位所需声音信号；第一无线通信模块⑤用于在定位过程中同步蜂鸣器④发声与麦克风阵列①采集声音信号；固定柱⑥用来固定蜂鸣器④，并使其喇叭中心与麦克风阵列②几何中心在一条中垂线上；电路板⑦上包含有用于数据采集和处理的微控制器⑧，并且具有电源接口和数据输出（标准232）接口；微控制器⑧负责整个算法中的计算和各个模块之间的协调；第二无线通信模块⑨用于多个定位装置中信息交互通道，用来交互之间测量到的声源位置与角度信息，并计算相互之间的位置信息。

本发明装置中，整个电路系统的主要由发声装置（声源单元）、声音接收处理电路和定位协调电路组成。所述声源单元由麦克风阵列①、蜂鸣器④和驱动电路

组成；所述声音接收处理电路安排在电路板⑦上，包括依次电连接的信号调理电路

和数字信号处理电路

所述信号调理电路

由顺序连接的前级放大

带通滤波和后级放大电路

构成；所述信号处理电路

由顺序连接的模数转换

和数据处理电路

构成；所述协调定位单元由第一无线通信模块⑤和第二无线通信模块⑨组成，第一无线通信模块⑤和第二无线通信模块⑨分别与信号处理电路对应连接；所述信号调理电路与麦克风阵列①连接；所述蜂鸣器④与驱动电路

驱动连接。电路板⑦上的电路通过导线或接插件与麦克风阵列①和蜂鸣器④等功能器件对应连接。

本发明装置选择蜂鸣器④作为声源，是因为其响度高、重量轻、体积小和功耗低。麦克风阵列①接收声源发出的声波信号后输出的电压信号较为微弱，而且还包含各种噪音信号。因此，在对麦克风输出信号进行模数转换

之前，需要进行信号调理

的过程，主要包括前级放大

带通滤波

和后级放大

MCU

对经过调理的信号进行AD转换后得到数字信号，最后进行数据处理

并采用合适的声源定位算法计算出声源的方向。第一无线通信模块⑤、第二无线通信模块⑨组成协调定位单元。在存在多个装置进行相对定位的过程中，第一无线通信模块⑤用来同步发声装置和接收装置之间的时间；对于处于接收状态的装置，则启用第二无线通信模块⑨，用来传递当前声源相对于该装置的坐标位置。

本发明实施例的装置总体积为100mm（长）×100mm（宽）×（120mm～150mm）（高），重量150g，适用于移动和固定传感器网络节点上。所述装置结构部件中：麦克风阵列①中麦克风采用信噪比60dB左右的通用全向麦克风（市场价在1RMB以内）；麦克风阵列架②为了保持阵列的距离精确，采用PCB电路板；为了标定中调整高度，支架杆③最好采用可伸缩调节的金属杆，顶端应配有螺纹，便于与麦克风阵列架②连接；蜂鸣器④，（距离10cm）响度大于95dB；受蜂鸣器体积和装置几何尺寸限制，蜂鸣器④频率选择在1.7～3.4KHz之间，电压5～24V之间，应用中要求传感器范围越大，蜂鸣器④的响度要求越高，另外，由于装配结构限制蜂鸣器的高度不能大于20mm，长与宽不小于图3中所示l的长度。第一无线通信模块⑤，采用SPI接口工作于433MHz的模块。电路板⑦，电路板上的放大和滤波电路均采用电容和电阻和小信号放大器搭建。电源采用5V供电，蜂鸣器驱动中的升压电路5～24V可调。控制芯片（微控制器）⑧采用具有大于4路AD转换，具有双UART和单SPI接口，RAM大于40K单片机。第二无线通信模块⑨，采用具有UART接口工作于2.4G的无线通信模块。

实施过程中具体连接要求如下：麦克风阵列架②、支架杆③和电路板⑦之间用螺丝螺母固定，在安装过程中保证麦克风阵列架②与电路板⑦水平平行；蜂鸣器④、固定柱⑥和电路板⑦之间采用螺丝螺母连接固定；在安装过程中，保证蜂鸣器④底面与⑦电路板水平平行；安装过程中，需保证麦克风阵列架②和蜂鸣器④的几何中心在一条中垂线上。支架杆③最好定制为可伸缩或长度可调的支架杆，以方便调整麦克风列架①和蜂鸣器④之间的高度差。

从实施例所述零部件可以看出，本发明装置给出的二维空间声音相对定位装置所用元器件造价较低，经过估算，整个装置的成本在200RMB左右，便于推广应用。在功耗上，由于中间没有涉及大功率耗能器件，故功耗较小，具有节能环保意义。

充分考虑传感器网络节点位置测算的实际需求，本发明利用简单的发声器、麦克风阵列和无线通信模块构建一款结构简单、价格低廉精度较高且实时性好的分布式二维空间声音相对定位装置。所谓相对定位是指传感器网络中的任一节点可以获得可感区域内其他节点的相对位置和方位（故而，若在所有节点当中，存在至少一个能得到全局绝对位置的节点，便可得到所有节点的全局绝对位置）。本发明提出构建分布式的声音相对定位装置，一方面可有效防止网络中节点的损坏带来的定位失效，这是因为本文中所有的定位装置在整个网络中是对等节点；另一方面，可以有效的用于各种分布式的估计算法中位置信息的获取，这是因为所有的定位装置可以根据需要选择得到自己附近节点的位置。

本发明所述相对定位方法（即单声源定位和多台装置之间相对位置的估计）的主要特色和优点如下：

(1)方向估计方法主要是基于远场模型的声达时间差方法，其中采用单频声源，4个麦克风按正方形排列，相对两个麦克风之间的距离小于等于声音信号波长的1/2，故在得到麦克风之间的声达差的自相关运算中，可为卷积运算加窗，从而减少了算法的计算量提高实时性，同时避免了出现整周期的定位误差。使用四个麦克风阵列，在对方位进行估计过程中产生了信号的冗余，采用了融合算法进行了角度融合，提高了定位精度。

(2)距离估计过程中，采用了具有同步机制的声达时间估计方法。考虑电磁波的传播速度远大于声波，此处采用无线通信信号作为同步声音发送和接收，简化了算法，同时使用四路接收信号之间简单运算减小了随机噪声的影响，提高了估计精度。

(3)针对多台装置之间相对位置的估计，提出了一种采用少量装置相继发声的分布式定位算法。这种算法只需装置之间相互传送自己定位出的两个声源的相对坐标，每台装置便可使用本发明中的方法计算出传感区域中所有装置在自己坐标系下的坐标，且在定位过程中，哪个装置需要作为声源状态存在，没有严格界定，从而实现了分布式相对定位。

本发明的定位装置特色和优点如下：

(1)为了降低声源电路的复杂度，减小装置的体积，使用蜂鸣器发出的频率相对较高（1.7～3.5KHz）的声音作为目标信号，根据方法中所述，在抑制了外界噪声的同时，可有效控制麦克风之间的距离处于一定范围内（<10.1cm）。

(2)在对声音信号持续时间的选择上，选择了声音装置从发声到声音幅值上升到最大这段时间作为发声持续时间（10ms以内），提高了声音定位的实时性。

(3)基于提高了整个系统的鲁棒性考虑，设定装置可在声源和定位两种状态之间切换，以根据需要灵活的构建相对定位的算法，同时，使用工作频率不同、独立的两个无线模块分别用于声源同步和信息交互，有效的消除了通信过程中由于通信冲突造成的定位误差。

本发明装置适用于无线传感器网络节点，特别是移动无线传感器网络节点（移动机器人）。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种二维空间分布式声音相对定位方法，该定位方法采用以下步骤：

[1]初始化，在2-16个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声的节点；

[2]节点i发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点i相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播这一坐标信息；所述声音定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法；

[3]节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近的节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；

[4]节点f发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点f相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播这一坐标信息；

[5]网络中的所有节点，利用协调定位算法，独立计算出传感区域内的所有节点在其坐标系下的坐标；所述的协调定位算法是指网络中的一个节点使用得到的发声节点相对于自身和其他节点的坐标，计算出其他所有不发声节点相对于该节点之坐标的方法；

[6]完成相对定位，把节点f设置为节点i,转步骤[1]，从而进行下个周期的相对定位。

2.一种二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于该定位装置根据权利要求1所述二维空间分布式声音相对定位方法设计，包括麦克风阵列、麦克风阵列架、支架杆、蜂鸣器、第一无线通信模块、固定柱、电路板、微控制器和第二无线通信模块；所述麦克风阵列由4个麦克风组成，均布焊接在圆环状麦克风阵列架上，并通过细导线与电路板电连接；电路板与麦克风阵列架水平平行布置，并用3或4个支架杆垂直连接在电路板与麦克风阵列架之间；蜂鸣器的喇叭口朝上安放在支架杆之间，并使其中心与麦克风阵列的几何中心在同一条中垂线上，采用固定柱固装在电路板上，同时把蜂鸣器的电源线焊接在电路板中的电源上；第一无线通信模块和第二无线通信模块对称布置在电路板的两侧，并利用其上的两组单排插针，分别安装在电路板上对应位置的插座上；微控制器焊接在蜂鸣器下面的电路板上；所述电路板上包括依次电连接的信号调理电路和数字信号处理电路；信号调理电路由顺序连接的前级放大、带通滤波和后级放大电路构成；信号处理电路由顺序连接的模数转换和数据处理电路构成；所述第一无线通信模块和第二无线通信模块分别与信号处理电路对应连接；所述信号调理电路与麦克风阵列连接；所述蜂鸣器与驱动电路驱动连接。

3.根据权利要求2所述的二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于所述的支架杆长度可调。

4.根据权利要求2所述的二维空间分布式声音相对定位装置，其特征在于所述装置的总体积为长100mm×宽100mm×高120～150mm，重量150g；所述麦克风阵列中的麦克风采用信噪比60dB的通用全向麦克风；所述电路板采用PCB电路板；所述蜂鸣器在距离10cm时响度大于95dB，且蜂鸣器的频率为1.7～3.4KHz，电压为5～24V可调；第一无线通信模块采用SPI接口、工作于433MHz的模块；微控制器采用大于4路的AD转换接口、双UART接口和单SPI接口，且RAM大于40K的单片机；第二无线通信模块采用具有UART接口、工作于2.4G的无线通信模块。

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