CN104035065A - 基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法，涉及应用声波通过确定多个方向配合来定向的装置，包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该正三元三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，上位机为安装NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序，实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向，克服了现有声源定向装置受近场远场应用条件和声源所在方位角因素限制，难以实现对任意方位声源准确定向的缺陷。

Description

基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法

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向的装置，具体地说是基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法。

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领域的重要研究课题。可以说，听觉感知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”内不仅能定向声源目标，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向装置在医疗、服务和军事等领域具有重要的理论意义和应用价值。

现有的小型麦克风声源定向装置，大都不能满足360度全方位、高精度的定向要求。一方面，受远场近场应用条件的限制，声源距离越近，存在误差越大，甚至严重偏离实际值；另一方面，因为定向计算中的近似操作，定向精度也受到很大的影响。CN201010191634.1报道的“一种声源定位装置”，采用正四面体的阵列结构，仍在很大程度上受近场远场应用条件，声源所在方位角等因素的限制，难以实现对任意方位声源的准确定向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法，可以实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向，克服了现有声源定向装置在很大程度上受近场远场应用条件和声源所在方位角因素的限制，难以实现对任意方位声源准确定向的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：基于主动旋转的声源定向装置，包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，所述听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该三元正三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，所述声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，所述上位机为安装了NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。

上述基于主动旋转的声源定向装置，所述三元正三角形结构是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm，所述三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风。

上述基于主动旋转的声源定向装置，所述声音放大模块采用集成运算放大器LM324，所述数据采集模块采用NI9215A数据采集卡。

上述基于主动旋转的声源定向装置，所述时延计算模型和方位角计算模型一起共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下：

第一步，设定三个麦克风的坐标：

麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S₁、S₂和S₃，O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(x，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ＝r，定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值0度～360度，假设S₁到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为：S₁(0,a)，

第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计：

在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t) (1)

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延值。

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)=X_1\left(\mathrm{\ω}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ω\τ}}\mathrm{d\ω}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是麦克风S₂和与麦克风S₁之间的时延值τ₂₁，用同样的方法可以计算出麦克风S₃与麦克风S₁之间的时延值τ₃₁；

第三步，由方位角计算模型进行计算声源目标在麦克风阵列位姿下的方位角α：

从上述第二步得到声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值分别为：τ₂₁、τ₃₁，

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\β}\≈\arctan \sqrt{3}\frac{{\mathrm{\τ}}_{31}-{\mathrm{\τ}}_{21}}{{\mathrm{\τ}}_{31}+{\mathrm{\τ}}_{21}}---\left(4\right)$

上述公式(4)中，β是方位角的统称，因为象限的关系，上述公式(4)计算得出的方位角β的角度不一定在规定方位角范围内，公式(4)arctan计算的结果范围为-90度到90度，而所需要的规定方位角结果范围为0度到360度,这就需要进行分象限处理，经由如下的方位角象限处理过程，得出声源目标在麦克风阵列位姿的方位角α为：

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＞0时，方位角α＝β，

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＜0时，方位角α＝180+β，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＞0时，方位角α＝β+360，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＜0时，方位角α＝180+β。

上述基于主动旋转的声源定向装置，所述麦克风阵列定向流程程序的流程如下：

初始定向α₁→主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度→在麦克风阵列的新位姿下，重新进行定向测量，得到方位角度α₂→判断α₂是否满足定向精度？返回主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度；是输出α₂。

上述基于主动旋转的声源定向装置，所涉及的部件均通过公知途径获得，部件之间的连接方式是本技术领域的技术人员所能掌握的。

上述基于主动旋转的声源定向装置的应用方法，由上位机控制能够主动旋转的伺服电机带动三元正三角形结构的麦克风阵列在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源进行准确定向，具体步骤如下：

第一步，根据定向误差为0的角度值，将平面平均分为6个区域，每个区域张角为60度，包含一个定向误差为0的角度值，且此角度值处于其所在区域的正中间位置，首先，第一次定向方位角度α₁，根据上述区域划分，判断α₁所处区域，找出本区域内的定向误差为0的角度值θ₁；

第二步，判断α₁与θ₁的大小，如果α₁>θ₁，将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度，如果α₁<θ₁，则将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；

第三步，三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₂，判断此时的方位角度是否满足精度要求，具体判断过程是，判断|α₂-θ₁|是否小于精度要求值，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，继续通过判断α₂与θ₁的大小以及差值，确定下一步主动旋转的方向和角度；继续主动旋转，直到满足精度要求。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点是：现有方位角计算模型，都是基于远场模型，都存在一定的近似等效的运算技巧，在一定程度上影响了定向精度，使得结果出现偏差，而且随着声源距离的越来越近，定向精度变得越来越差，甚至严重偏离真实值。本发明利用误差曲线的突出特点，通过麦克风阵列的主动旋转，使得声源方位角向着本麦克风阵列误差基本为零的方位角度调整，使得测量误差尽量小，从而达到声源的精确定向。具体地说如下：

本发明对麦克风阵列定向模型的误差进行多次仿真，得到以下结论：

(1)因为本发明的麦克风阵列的阵列边长为10cm，所以理论上要求，声源距离r大于0.058m，在该麦克风阵列外。无论声源距离取多少，误差曲线的形状，位置以及周期均基本相同，唯一不同的是曲线的幅值。

(2)无论声源距离取多少，误差曲线的都有特点：|y|<|x|，其中x为方位角测量值，y为方位角误差值，误差＝测量值-真实值；

(3)本发明的麦克风阵列模型的误差曲线如图3所示。结合图形与实验可得：

a.此麦克风阵列对于以下角度方向的声源定向非常准确，与真实值基本相等，这些角度分别为：0或360度，60度，120度，180度，240度，300度；

b.当阵列向着误差为零角度调整时，误差绝对值一定越来越小；

c.当测量角度与其最近误差为零角度值的绝对差值小于精度要求值时，误差一定小于精度要求。

与现有技术相比，本发明的显著进步是，相较于CN201010191634.1报道的“一种声源定位装置”中正四面体麦克风结构，本发明具有以下显著进步：

(1)本发明基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法,其中的三元正三角形结构是一种平面结构，与四元正四面体空间结构相比较，具有易搭建、易成型和便于随身携带的优点。

(2)本发明基于主动旋转的声源定向装置及其应用方法，应用中只要有足够的调整次数，可以达到任意精度的定向要求，不受方位角及近场远场等任何应用条件的限制。

(3)因为本发明设计的着手点是定向误差曲线，从曲线着手，找到模型测量误差为零的角度值，所以本发明中三角形麦克风阵列结构结合主动旋转方法，既满足了便携的外在条件，又符合达到任意精度的内在要求。

总之，本发明可以实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向，克服了现有声源定向装置在很大程度上受近场远场应用条件和声源所在方位角因素的限制，难以实现对任意方位声源准确定向的缺陷。

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为本发明基于主动旋转的声源定向装置的构成示意框图。

图2为本发明的计算声源目标的方位角的算法原理图。

图3为本发明的麦克风阵列模型定向计算误差曲线图。

图4为本发明的定向分区图。

图5为本发明的存储于计算机中的麦克风阵列定向流程程序的流程图。

图6为本发明基于主动旋转的声源定向装置的应用方法中，其主动旋转过程的示意图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明的基于主动旋转的声源定向装置包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。

图2所示实施例表明，本发明的计算声源目标方位角度的算法原理是：

麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S₁、S₂和S₃，O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(x，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ＝r，定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值0度～360度，假设S₁到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为：S₁(0,a)，

声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值分别为：τ₂₁、τ₃₁，这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{31}-{\mathrm{\&tau;}}_{21}}{{\mathrm{\&tau;}}_{31}+{\mathrm{\&tau;}}_{21}}$

由于本发明中要进行麦克风阵列主动旋转前后的多次方位角的测量，每次测量都是用上面的方位角公式进行计算方位角。上述公式中，β是方位角的统称，β与实际方位角α的关系如下：

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＞0时，方位角α＝β，

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＜0时，方位角α＝180+β，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＞0时，方位角α＝β+360，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＜0时，方位角α＝180+β。

图3所示实施例表明，本发明的麦克风阵列模型定向计算误差曲线图有仿真结果，从该图像可知：

(1)因为本发明的麦克风阵列的阵列边长为10cm，所以理论上要求，声源距离r大于0.058m，在该麦克风阵列外，因而，无论声源距离取多少，误差曲线的形状，位置以及周期均基本相同，唯一不同的是曲线的幅值。

(2)无论声源距离取多少，误差曲线的都有特点：|y|<|x|，其中，x为方位角测量值，即图3中的横坐标x：方位角测量值，y为方位角误差值，即图3中的纵坐标y：方位角误差值，误差＝测量值-实际值；

结合该图形与实验可得：

a.本发明的麦克风阵列对于以下角度方向的声源定向非常准确，与真实值基本相等，这些角度分别为：0或360度，60度，120度，180度，240度，300度；

b.当阵列向着误差为零角度调整时，误差绝对值一定越来越小；

c.当测量角度与其最近误差为零角度值的绝对差值小于精度要求值时，误差一定小于精度要求。

图4本发明的定向分区图表明，根据定向误差为0的角度值，将平面平均分为6个区域，每个区域张角为60度，包含一个定向误差为0的角度值，且此角度值处于其所在区域的正中间位置，根据上述区域划分，判断主动旋转方向与角度。图中，区域Ⅰ内，定向误差为0的角度值为0度，即360度，区域包含方位角范围为331度～359度以及0度～30度，这里当方位角处于0度～30度时，定向误差为零的角度按0度计算，当方位角处于331度～359度时，定向误差为零的角度按360度计算；区域Ⅱ内，定向误差为0的角度值为60度，区域包含方位角范围为31度～90度；区域Ⅲ内，定向误差为0的角度值为120度，区域包含方位角范围为91度～150度；区域Ⅳ内，定向误差为0的角度值为180度，区域包含方位角范围为151度～210度；区域V内，定向误差为0的角度值为240度，区域包含方位角范围为211度～270度；区域Ⅵ内，定向误差为0的角度值为300度，区域包含方位角范围为271度～330度。

图5所示实施例表明，本发明的麦克风阵列定向流程程序的流程如下：

初始定向α₁→主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度→在麦克风阵列的新位姿下，重新进行定向测量，得到方位角度α₂→判断α₂是否满足定向精度？返回主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度；是输出α₂。

图6所示实施例表明，本发明基于主动旋转的声源定向装置的应用方法，是由上位机控制能够主动旋转的伺服电机带动三元正三角形结构的麦克风阵列在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源进行准确定向，其具体步骤如下：

图中的(1)表明，麦克风S₁，S₂，S₃构成三元正三角形麦克风阵列，声源目标为Q。首先第一次定向方位角度α₁，根据上述图4定向分区图，判断α₁所处区域，找出本区域内的定向误差为0的角度值θ₁；本图中显示α₁处于Ⅰ区，Ⅰ区内误差为零的角度为θ₁＝0度；

图中的(1)到图中的(2)的过程表明，判断α₁与θ₁的大小，如果α₁>θ₁，将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；如果α₁<θ₁，则将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；本图中显然α₁>θ₁，所以将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；

图中的(2)表明，旋转完毕，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₂，判断此时的方位角度是否满足精度要求，具体判断过程是，判断|α₂-θ₁|是否小于精度要求值，如果满足，则完成本次声源定向测量；如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，继续通过判断α₂与θ₁的大小以及差值，确定下一步主动旋转的方向和角度；本图中α₂不满足精度要求。

图中的(2)到图中的(3)的过程：再次进行主动旋转，即重复上述图中的(1)到图中的(2)的过程表明，旋转完毕，再一次进行方位角测量，然后再一次判断是否满足精度要求，如果满足精度要求，则完成本次测量；如果不满足精度要求，则继续重复上述图中的(1)到(2)的过程的过程，直到最终的方位角满足精度要求。这个为满足精度要求，而不断重复图中的(1)到图中的(2)的过程，表明步骤的过程，即为多次旋转。

图中的(3)表明，经过多次主动旋转之后，得到符合精度要求的方位角度值α_n，即α_n满足|α_n-θ₁|小于精度要求值，完成本次方位角测量。

实施例

采用图1所示实施例的基于主动旋转的声源定向装置，其中，听觉传感器是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm的三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风，三个麦克风分别位于该正三元三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，声源信号微处理器由采用集成运算放大器LM324的声音信号放大模块和采用NI9215A数据采集卡数据采集模块构成，上位机为安装了NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接；麦克风阵列定向流程程序的流程如图5所示实施例；

上述时延计算模型是用于进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计，上述方位角计算模型是用于进行计算声源目标在麦克风阵列位姿下的方位角α，两者共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下：

第一步，设定三个麦克风的坐标：

麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S₁、S₂和S₃，O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为目标生源，坐标为(x，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ＝r，定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值0度～360度，假设S₁到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为：S₁(0,a)，

第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计：

在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t) (1)

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延值，

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=X_1\left(\mathrm{\&omega;}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)e^{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}\mathrm{d\&omega;}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是麦克风S₂和与麦克风S₁之间的时延值τ₂₁，用同样的方法可以计算出麦克风S₃与麦克风S₁之间的时延值τ₃₁；

所得相对的时延估计的结果是：麦克风S₂相对于麦克风S₁的时间差为10，麦克风S₃相对于麦克风S₁的时间差为39。

由于采集卡为100k，因此这里的10代表的实际时间为10个采样周期，即为10*10^-5秒；这里的39代表的实际时间为39个采样周期，即为39*10^-5秒。

得出为麦克风S₂和麦克风S₃与麦克风S₁之间的时延值分别为：τ₂₁＝10，τ₃₁＝39；

第三步，由方位角计算模型进行计算声源目标在麦克风阵列位姿下的方位角α：

从上述第二步得到声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值分别为：τ₂₁、τ₃₁，

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{31}-{\mathrm{\&tau;}}_{21}}{{\mathrm{\&tau;}}_{31}+{\mathrm{\&tau;}}_{21}}---\left(4\right)$

计算得出β＝45.7099度，根据上面的关于方位角分象限问题可得，方位角：α＝β＝45.7099度。

由此得出第一次测定声源目标所计算得出声源目标在麦克风阵列主动旋转前的方位角α＝45.7099度；

本实施例中，基于主动旋转的声源定向装置的应用方法，由上位机控制能够主动旋转的伺服电机带动三元正三角形结构的麦克风阵列在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源进行准确定向，其具体步骤如下:

第一步，第一次定向方位角度α₁＝45.7099度，根据上述图4定向分区图，判断α₁所处区域，找出本区域内的定向误差为0的角度值θ₁；

本实施例中显示45.7099度处于区域Ⅱ内，区域Ⅱ内误差为零的角度为θ₁＝60度；

第二步，判断α₁与θ₁的大小，如果α₁>θ₁，将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度，如果α₁<θ₁，则将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；

本实施例中显然45.7099度<60度，而且|45.7099-60|＝14.2901，所以将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转14.2901度的角度；

第三步，三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，重复上述方位角定向方法，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₂，测得α₂＝58.2206度，仍处于区域Ⅱ内；判断此时的方位角度是否满足精度要求，具体判断过程是，判断|α₂-θ₁|是否小于精度要求值，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，

本实施例中，|58.2206-60|＝1.7794,如果方位角定位精度要求为2度，则定位结果符合精度要求，完成本次声源定向测量；如果方位角定位精度要求更高，则需要继续进行主动旋转；

返回第二步，继续判断下一步主动旋转的方向与角度；因为α₂＝58.2206度，仍处于区域Ⅱ内；58.2206度<60度，而且|58.2206-60|＝1.7794，所以将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转1.7794度的角度；

三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，重复上述方位角定向方法，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₃，测得α₃＝59.7683度，仍处于区域Ⅱ内；继续判断此时的方位角度是否满足精度要求，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，

此时，|59.7683-60|＝0.2317,如果方位角定位精度要求为0.5度，则定位结果符合精度要求，完成本次声源定向测量；如果方位角定位精度要求更高，则需要继续进行主动旋转；

返回第二步，继续判断下一步主动旋转的方向与角度；因为α₂＝59.7683度，仍处于区域Ⅱ内；59.7683度<60度，而且|59.7683-60|＝0.2317，所以将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转0.2317度的角度；

三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，重复上述方位角定向方法，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₄，测得α₄＝59.9691度，仍处于区域Ⅱ内；继续判断此时的方位角度是否满足精度要求，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤；

此时，|59.9691-60|＝0.0309,如果方位角定位精度要求为0.1度，则定位结果符合精度要求，完成本次声源定向测量；如果方位角定位精度要求更高，需要继续进行主动旋转；

只要拥有足够多的主动旋转调整次数，由此，可以达到0.05度,0.01度，甚至0.001度等任意精度的定向要求，实现在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源的准确定向。

上述实施例中所涉及的部件均通过公知途径获得，部件之间的连接方式是本技术领域的技术人员所能掌握的。

Claims (6)

1.基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：包括听觉传感器、声源信号微处理器和上位机，其中，所述听觉传感器是三元正三角形结构的麦克风阵列，三个麦克风分别位于该三元正三角形结构的三个顶点，该麦克风阵列安装在一个能够主动旋转的伺服电机上面，所述声源信号微处理器由声音信号放大模块和数据采集模块构成，所述上位机为安装了NIDAQ驱动的PC机，该上位机中存储有时延计算模型、方位角计算模型和麦克风阵列定向流程程序；听觉传感器与声音信号放大模块之间、声音信号放大模块和数据采集模块之间均用导线相互连接，数据采集模块与上位机之间用USB数据线连接。

2.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述三元正三角形结构是用硬质材料做成的正三角形构架，其尺寸是三角形的边长为10cm，所述三个麦克风均选用MPA201驻极体麦克风。

3.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述声音放大模块采用集成运算放大器LM324，所述数据采集模块采用NI9215A数据采集卡。

4.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述时延计算模型和方位角计算模型一起共同完成声源方位角计算，其具体步骤如下：

第一步，设定三个麦克风的坐标：

麦克风阵列为正三角形模型，三个麦克风分别位于该正三角形结构的三个顶点S₁、S₂和S₃，O为坐标系原点，同时也是正三角形的中心，设Q为声源目标，坐标为(x，y)，坐标系原点到目标声源点的距离OQ＝r，定义将X轴正半轴沿逆时针方向转动到与OQ重合所经过的角度为方位角α，α取值0度～360度，假设S₁到坐标系原点O的距离为a，则三个麦克风的坐标分别为：S₁(0,a)，

第二步，由时延计算模型进行麦克风阵列中各个麦克风相对的时延估计：

在一个根据测定环境条件选定的位置，用麦克风阵列采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号，声音信号通过数据采集卡传到上位机，上位机首先计算出声音信号到达分别位于正三角形的三个顶点的三个麦克风之间的相对时间差，即声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值，具体方法如下：

假设两个麦克风接收声音信号的离散事件信号模型的坐标为：

x₁(t)＝a₁s(t)+n₁(t)，x₂(t)＝a₂s(t-τ₁₂)+n₂(t) (1)

上式中，α_i为声源信号的衰减系数,s(t)为声源目标信号，x_i(t)为麦克风采集的声音信号,n_i(t)为声源附加的噪声信号,τ₁₂为两个麦克风拾取声音信号的延迟时间，即时延值。

将采集的声音信号x_i(t),i＝1,2通过傅里叶变换，由时域转化成频域信号X_i(ω),其互功率谱函数为：

$G_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=X_1\left(\mathrm{\&omega;}\right){X_2}^{*}\left(\mathrm{\&omega;}\right)---\left(2\right)$

其互相关函数为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\&omega;}\right)e^{\mathrm{j\&omega;\&tau;}}\mathrm{d\&omega;}---\left(3\right)$

最后进行峰值检测，互相关函数的峰值对应的横坐标的点就是麦克风S₂和与麦克风S₁之间的时延值τ₂₁，用同样的方法可以计算出麦克风S₃与麦克风S₁之间的时延值τ₃₁；

第三步，由方位角计算模型进行计算声源目标在麦克风阵列位姿下的方位角α：

从上述第二步得到声音信号到达麦克风S₂和麦克风S₃的时刻与声音信号到达麦克风S₁的时刻之间的时延值分别为：τ₂₁、τ₃₁，

这时得出声源的方位角公式为：

$\mathrm{\&beta;}\&ap;\arctan \sqrt{3}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{31}-{\mathrm{\&tau;}}_{21}}{{\mathrm{\&tau;}}_{31}+{\mathrm{\&tau;}}_{21}}---\left(4\right)$

上述公式(4)中，β是方位角的统称，因为象限的关系，上述公式(4)计算得出的方位角β的角度不一定在规定方位角范围内，公式(4)arctan计算的结果范围为-90度到90度，而所需要的规定方位角结果范围为0度到360度,这就需要进行分象限处理，经由如下的方位角象限处理过程，得出声源目标在麦克风阵列位姿的方位角α为：

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＞0时，方位角α＝β，

当计算结果β＞0时，并且τ₃₁＜0时，方位角α＝180+β，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＞0时，方位角α＝β+360，

当计算结果β＜0时，并且τ₂₁＜0时，方位角α＝180+β。

5.根据权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置，其特征在于：所述麦克风阵列定向流程程序的流程如下：

初始定向α₁→主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度→在麦克风阵列的新位姿下，重新进行定向测量，得到方位角度α₂→判断α₂是否满足定向精度？返回主动调整阵列位姿，使声源目标方位角趋于测量误差为零的角度；是输出α₂。

6.权利要求1所述基于主动旋转的声源定向装置的应用方法，其特征在于：由上位机控制能够主动旋转的伺服电机带动三元正三角形结构的麦克风阵列在平面全范围内对任意方向和任意距离位置声源进行准确定向，具体步骤如下：

第一步，根据定向误差为0的角度值，将平面平均分为6个区域，每个区域张角为60度，包含一个定向误差为0的角度值，且此角度值处于其所在区域的正中间位置，首先第一次定向方位角度α₁，根据上述区域划分，判断α₁所处区域，找出本区域内的定向误差为0的角度值θ₁；

第二步，判断α₁与θ₁的大小，如果α₁>θ₁，将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着逆时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度，如果α₁<θ₁，则将三元正三角形结构的麦克风阵列沿着顺时针方向主动旋转|α₁-θ₁|的角度；

第三步，三元正三角形结构的麦克风阵列旋转完毕，对此时三元正三角形结构的麦克风阵列位姿下的声源方位角再进行一次定向测量，记为α₂，判断此时的方位角度是否满足精度要求，具体判断过程是，判断|α₂-θ₁|是否小于精度要求值，如果满足，则完成本次声源定向测量，如果不满足，则重复上述主动旋转步骤，继续通过判断α₂与θ₁的大小以及差值，确定下一步主动旋转的方向和角度；继续主动旋转，直到满足精度要求。