CN104459625B - 基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法，装置包括供电模块、两个结构相同的麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡和上位机，每个麦克风阵列由一个固定麦克风和一个与固定麦克风相对距离保持不变的可移动麦克风构成；定位方法利用麦克风的移动搜索时延最大值，快速地确定声源目标的角度有效信息，采用三角几何关系准确测量出声源目标的距离并快速转化出声源目标的坐标。本发明可广泛用于室内近距离固定或慢速移动的声源目标快速、精确的三维空间定位。

Description

基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法

技术领域

本发明属于声源定位领域，特别是一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法。

背景技术

随着阵列信号处理技术的不断发展，声源定位技术日益成熟。声源定位技术能够弥补视觉定位角度有限且无法穿透非透光障碍物的缺陷，并且可以提取声音信号中的重要特征。利用麦克风阵列计算声源方位是声源定位的被动方法，目前已在移动机器人导航、视频会议、语音增强与识别等领域被广泛应用。

目前利用麦克风阵列的声源定位方法主要有两大类：一类是基于声音信号到达麦克风的方向(DOA)，此类别中包括对各麦克风收到的信号进行滤波加权并求和求取最大功率波束的方向(即为声源大致方向)的可控波束形成(BS)声源定位方法(如SRP-PHAT算法(见文献1：Dibiase J.A High-Accuracy,Low-Latency Technique for Talker Locationin Reverberant Environments[D].Brown University,Providence,Rhode Island,USA,2000.)、最小方差无畸变响应波束形成法(见文献2：Brandstein M S,Ward E DB.Microphone Arrays:Signal Processing Techniques and Applications[M].Berlin:Springer-Verlag,2001.))和根据各麦克风收到信号之间的相关矩阵计算信号方位角的高分辨率频谱估计声源定位方法(如近场二维MUSIC算法(见文献3：Asano F,Asoh H,MatsuiT.Sound source location and separation in near field[J].IEICE Transactions onFudamentals,2000,E83-A(11):2286-2294.)；另一类是基于声音信号到达麦克风阵列的时延(TDOA)，该类方法根据各麦克风收到信号的时间差算出声源距各麦克风的距离差，再用几何或其他方法测出声源的位置(如广义互相关时延估计法(见文献4：Knapp C H,G CCarter.The generalized correlation method for estimation of time delay[J].IEEE Trans.Acoust,speech,Signal Processing,1976,24(8):320-327.)、自适应特征值分解算法(见文献5：Huang Y,Benesty J,Elko G W.Adaptive eigenvalue decompositionalgorithm for real time acoustic source location system[C].IEEE InternationalConference on Acoustic,Speech,Signal Processing.Seatle,WA,USA,1998,2:937-940.))。

上述方法主要利用固定麦克风阵列进行声源定位，所需麦克风的数量较多，且现有的装置和方法主要定位声源的角度，声源的距离不能够很有效地测量。此外，现有的定位技术对于环境噪声及混响的抑制作用有限，导致在高噪声、混响环境下定位精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置及方法，能够克服固定麦克风阵列所需麦克风数量多的问题，有效地利用三角几何关系快速测出声源目标位置，提高了定位精度和鲁棒性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；

第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在第一圆形轨道圆心处，第一圆形轨道所在平面与地面垂直，第一移动麦克风设置在第一圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述第一圆形轨道通过支架设置在底座上，第一圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动第一圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；

第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，第二圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；

上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；

所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。

一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1、确定两个固定麦克风之间的距离，建立坐标系：以两个固定麦克风位置中点为原点、两个固定麦克风连线为x轴，包含x轴且平行于水平面的平面为XOY平面；初始时刻，两个移动麦克风与两个固定麦克风在同一条直线上；

步骤2、通过驱动底座中的直流电机使得两个移动麦克风从初始时刻开始绕对应的固定麦克风同方向旋转180°，根据广义互相关法确定旋转过程中不同位置的移动麦克风与对应的固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角；当任意一个夹角的大小为0°或者180°时，移动一个麦克风阵列，使得移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线不重叠，返回步骤1；

步骤3、根据两个固定麦克风的距离以及步骤2得到的声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，由三角形正弦定理确定声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂；

步骤4、以步骤2中得到的时延值最大的位置为起始位置，通过两个麦克风阵列圆形轨道圆心处的直流电机驱动移动麦克风绕各自固定麦克风先逆时针旋转90°，再从起始位置顺时针旋转90°，根据广义互相关法确定在旋转过程中不同位置的移动麦克风与固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时两个移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，分别得到声源目标与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂；

步骤5、根据步骤3得到的d₁和d₂以及步骤4得到的β₁和β₂，由三角几何关系确定声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离；

步骤6、根据声源目标在XOY平面的投影到原点的距离，以及该投影与原点的连线与x轴的夹角，由三角形正余弦定理确定声源目标的坐标值。

本发明与现有的方法相比，其显著优点为：(1)本发明的定位装置采用可移动双麦克风阵列，在保证计算精度的同时，减少了麦克风数量，减小了定位装置的体积，降低了成本；(2)本发明的定位方法依据固定麦克风与移动麦克风的最大时延值确定麦克风阵列与声源目标的几何位置关系，计算量小，实时性好，精度高；(3)本发明可广泛用于室内近距离固定或慢速移动的声源目标快速、精确的三维空间定位。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置原理图。

图2是本发明的定位装置中的麦克风阵列构成示意图。

图3是本发明定位方法的计算声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列固定麦克风所形成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角和该投影到两个固定麦克风距离的原理图。

图4是本发明定位方法的计算声源目标与两个固定麦克风分别所连直线与XOY平面的夹角和声源目标到两个固定麦克风距离的原理图。

图5是本发明方法的计算声源目标在XOY平面投影到原点距离和与原点所连直线与x轴夹角的原理图。

图中，1.固定麦克风，2.移动麦克风，3.圆形轨道，4.支架，5.底座。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

具体实施方式

结合图1，一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；

第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在第一圆形轨道圆心处，第一圆形轨道所在平面与地面垂直，第一移动麦克风设置在第一圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述第一圆形轨道通过支架设置在底座上，第一圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动第一圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；

第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，第二圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；

上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；

所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。

所述两个麦克风阵列的圆形轨道半径均为10cm，所述支架和底座合计高为20cm，第一固定麦克风和第二固定麦克风的距离为1～2m。

结合图3、图4和图5，一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1、确定两个固定麦克风之间的距离，建立坐标系：以两个固定麦克风位置中点为原点、两个固定麦克风连线为x轴，包含x轴且平行于水平面的平面为XOY平面；初始时刻，两个移动麦克风与两个固定麦克风在同一条直线上；

设第一麦克风阵列的第一固定麦克风为m₁，第一移动麦克风为m₂，第一圆形轨道半径为r；第二麦克风阵列的第二固定麦克风为m₃，第二移动麦克风为m₄，第二圆形轨道半径为r；

以m₁m₃的中点为原点O、以为x轴、初始时刻所有麦克风所在且平行于水平面的平面为XOY平面建立坐标系，m₁和m₃之间的距离为2L，其中L>r，则m₁坐标为(-L,0,0)，m₃坐标为(L,0,0)，在初始时刻，m₂的坐标为(-L-r,0,0)，m₄的坐标为(L-r,0,0)；设声源目标为Q，坐标为(x,y,z)，其在XOY平面的投影Q'坐标为(x,y,0)。

步骤2、通过驱动底座中的直流电机使得两个移动麦克风从初始时刻开始绕对应的固定麦克风同方向旋转180°，根据广义互相关法确定旋转过程中不同位置的移动麦克风与对应的固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角；当测得两个夹角中的任意一个夹角大小为0°或者180°时，移动一个麦克风阵列，使得移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线不重叠，返回步骤1；其中移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线的夹角以45°最优；

当麦克风阵列的移动麦克风位于对应的固定麦克风与声源目标Q在XOY平面的投影Q'所连直线上时，Q发出的声音信号到这固定麦克风与移动麦克风的传播路程差最大，即此时两个麦克风时延值最大；确定麦克风阵列中两个麦克风时延最大值的相对位置即可找到Q'所在的直线，两个麦克风阵列确定的两条直线的交点即为Q'的位置；

确定投影Q'与m₁、m₃形成三角形中以m₁、m₃为顶点的夹角的具体步骤如下：

步骤2-1、令m₂在XOY平面以m₁为圆心旋转180°，m₄在XOY平面以m₃为圆心旋转180°；m₂、m₄每旋转10°停顿一下，确定此位置m₁与m₂的时延值和m₃与m₄的时延值，并与上位置所测得对应时延值比较，记录初始时刻至此时刻的最大值；设此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为θ₁，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为θ₂；

步骤2-2、令m₂在[θ_min,θ_max]之间移动，其中θ_min＝max(0°,θ₁-10°)，θ_max＝min(180°,θ₁+10°)，每旋转2°停顿一下，确定当前位置m₁与m₂的时延值；测得m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度θ'₁；m₄以同样过程旋转，测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度θ'₂；

步骤2-3、令m₂在[θ'_min,θ'_max]之间移动，其中θ'_min＝max(0°,θ'₁-2°)，θ'_max＝min(180°,θ'₁+2°)，每旋转0.5°停顿一下，确定当前位置m₁与m₂的时延值；测得m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度同样方法得到m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度

步骤2-4、声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，其中以第一固定麦克风的夹角为α₁，以第二固定麦克风的夹角为α₂；则α₁和α₂分别为：

当则

当则

其中，确定固定麦克风与移动麦克风之间时延值的具体方法为：

第一步、当m₁与m₂停顿时，两个麦克风阵列均采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号；

第二步、设m₁与m₂接收到的声音信号模型分别为：

X₁(t)＝a₁S(t)+n₁(t)

X₂(t)＝a₂S(t)+n₂(t)

其中，a₁、a₂分别为声源信号到达m₁、m₂传播过程中的衰减系数，S(t)为声源信号，n₁(t)、n₂(t)分别为m₁、m₂接收到的附加噪声，设麦克风对m₁、m₂之间的时延值为τ_1,2；

对信号X₁(t)、X₂(t)分别进行傅里叶变换，得到频域信号X₁(ω)和X₂(ω)，互功率谱函数为：

G_X1X2(ω)＝X₁(ω)X^* ₂(ω)

其互相关函数为：

第三步、对互相关函数进行峰值测定，互相关函数峰值对应的横坐标即为时延值τ_1,2；

同理可测得这m₃与m₄停顿时两者之间的时延值τ_3,4。

步骤3、根据两个固定麦克风的距离以及步骤2得到的声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，由三角形正弦定理确定声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂；具体为：

根据步骤1和步骤2中得到的m₁和m₃的距离为2L，L>0，以及声源目标在XOY平面的投影Q'与两个麦克风阵中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角α₁和α₂；声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离为d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离为d₂，由三角形正弦定理可得：

即得到d₁和d₂。

步骤4、驱动两个麦克风阵列圆形轨道圆心处的直流电机使得移动麦克风从步骤2中得到的时延值最大的位置开始绕各自固定麦克风先逆时针旋转90°，回到初始位置再顺时针旋转90°，根据广义互相关法确定在旋转过程中不同位置的移动麦克风与固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时两个移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标与两个麦克风阵列固定麦克风分别所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂；

当麦克风阵列的移动麦克风在固定麦克风与声源目标Q所连直线上时，声源目标到这两个麦克风的传播路程差最大，此时两个麦克风的时延值最大；确定麦克风阵列中两个麦克风时延最大值的相对位置即可找到声源目标所在的直线，两个麦克风阵列确定的两条直线可以找到Q的位置；

分别确定Q与m₁、m₃所连直线与XOY平面的夹角具体过程为：

步骤4-1、初始时刻m₂、m₄位于步骤2中在XOY平面m₁与m₂、m₃与m₄时延值最大的位置，此时与XOY平面夹角为0°。m₂、m₄向上运动夹角为正，向下运动夹角为负，运动范围为(-90°,90°)；

令m₂、m₄从与XOY平面夹角0°向90°方向旋转，每旋转10°停顿一下，分别确定此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值；当旋转至90°时，令m₂、m₄返回与XOY平面夹角0°状态，并向-90°方向旋转；每旋转10°停顿一下，确定此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值；设此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为γ₁，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为γ₂；

步骤4-2、令m₂在[γ_min,γ_max]之间移动，其中γ_min＝max(-90°,γ₁-10°)，γ_max＝min(90°,γ₁+10°)，m₂每旋转2°停顿一下，确定当前时延值；确定此旋转过程中的最大时延值对应的旋转角度γ'₁；m₄以同样过程旋转，测得此旋转过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度γ'₂；

步骤4-3、令m₂在[γ'_min,γ'_max]之间移动，其中γ'_min＝max(-90°,γ₁-2°)，γ'_max＝min(90°,γ₁+2°)，m₂每旋转0.5°停顿一下，计算一次时延值，最终记录最大时延值对应的旋转角度m₄以同样过程旋转，测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度

步骤4-4、根据两个移动麦克风所旋转的角度，分以下两种情况得出β₁和β₂：

若此前对应的则

若此前对应的则

步骤5、根据步骤3得到的d₁和d₂以及步骤4得到的β₁和β₂，由三角几何关系确定声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离D₁和D₂；具体为：

由上述测得的声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂以及声源目标分别与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂，可得声源目标到两麦克风阵列中固定麦克风的距离D₁和D₂分别为：

步骤6、根据声源目标在XOY平面的投影到原点的距离，以及该投影与原点的连线与x轴的夹角，由三角形正余弦定理确定声源目标的坐标值；具体为：

步骤6-1、计算声源目标Q在XOY平面的投影Q'到原点O的距离R及与Q'、O与m₃形成的以O为顶点的夹角ψ，根据正弦定理和余弦定理可得：

R²＝L²+d₁ ²-2cosα₁

由cosψ得到ψ；

步骤6-2、确定Q的三维空间坐标值：

当且ψ≤90°时，声源目标Q坐标中x＝Rcosψ，y＝Rsinψ，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ>90°时，声源目标Q坐标中x＝-Rcos(180°-ψ)，y＝Rsin(180°-ψ)，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ≤90°时，声源目标Q坐标中x＝Rcosψ，y＝-Rsinψ，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ>90°时，声源目标Q坐标中x＝-Rcos(180°-ψ)，y＝-Rsin(180°-ψ)，z＝D₁sinβ₁。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

结合图1，本实施例的定位装置包括供电模块、两个麦克风阵列、控制解析模块、NI9215A数据采集卡和上位机，其中供电模块向每个麦克风、直流电机及光电编码器进行供电。每个麦克风阵列由一个固定麦克风和一个移动麦克风构成，固定麦克风在垂直圆形轨道圆心处，移动麦克风在圆形轨道上，圆形轨道由支架固定在底座上。所有麦克风选用北京声望声电技术有限公司生产的MPA201传声器，传声器通过带BNC接口的数据线连接数据采集卡，并由数据采集卡通过USB线传输给上位机。圆形轨道圆心处和底座处分别有一个装有光电编码器ZSP3806的直流电机，直流电机使用惠州市金力电机有限公司的JRS-385。控制解析模块中TB6612FNG芯片连接直流电机对其进行控制，ADS1210芯片用于将光电编码器传入的模拟量转化为数字量交由主芯片处理，主芯片为STM32F103RBT6，用于接收处理ADS1210传入的角度信息，利用RS232总线将角度信息传输给上位机进行并接收上位机的指令用于控制TB6612FNG。上位机为装有NI-DAQ驱动的普通PC，并带有由VS编写好的包含时延计算模型、水平面夹角计算模型、垂直平面夹角计算模型，水平方向距离计算模型和距离计算模型的程序。

本实施例在室内环境进行，两个麦克风阵列按固定麦克风相距1m的距离摆放在地上，并由一名身高1.75m的人员充当声源。

结合图2，第一麦克风阵列是由一个第一固定麦克风m₁和在圆形轨道上旋转的第一移动麦克风m₂构成；第一麦克风阵列底座处装有第二直流电机，可驱动底座旋转，使得麦克风阵列绕以固定麦克风所在垂直于底座的直线为轴线旋转；底座及支架共高20cm，支架上装有半径10cm的第一圆形轨道，m₁位于此轨道圆心处，此处设置有一个第一直流电机通过一根金属棒连接位于此轨道上的m₂；两个直流电机均连接光电编码器，用于实时获取旋转角度信息并反馈控制电机的启动和停止；第二麦克风阵列的结构与第一麦克风阵列完全一致，其中第二固定麦克风m₃位于第二圆形轨道圆心处，第二移动麦克风m₄位于此圆形轨道上。利用上述装置进行三维空间声源定位的方法为：

步骤1、以m₁m₃的中点为原点O、以为x轴、初始时刻所有麦克风所在平面为XOY平面建立坐标系，且m₁和m₃直接的距离为1m。m₁坐标为(-0.5,0,0)，m₃坐标为(0.5,0,0)，在初始时刻，m₂的坐标为(-0.51,0,0)，m₄的坐标为(0.49,0,0)，实际声源目标的坐标为(0.25,2,1.55)；计算过程中设声源目标为Q，在此坐标系下坐标为(x,y,z)，其在XOY平面的投影Q'坐标为(x,y,0)。

步骤2、结合图3，计算声源目标在XOY平面的投影Q'与m₁、m₃形成三角形中以m₁、m₃为顶点的夹角α₁、α₂和Q'到m₁、m₃距离的算法，具体步骤如下：

步骤2-1、上位机获取两个麦克风阵列传输的信号，计算m₁与m₂的时延值和m₃与m₄的时延值；利用麦克风阵列底座处的电机驱动麦克风阵列绕固定麦克风所在垂直于底座的直线为轴线旋转，使得移m₂在XOY平面以m₁为圆心旋转180°，使得m₄在XOY平面以m₃为圆心旋转180°；在此过程中，m₂、m₄每旋转10°停顿一下，上位机计算出此位置m₁与m₂的时延值和m₃与m₄的时延值，并与上位置所测得对应时延值进行比较，记录初始时刻至此时刻的最大值。设此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为110°，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为80°；

步骤2-2、令m₂在[100°,120°]之间移动，并且每旋转2°停顿一下，上位机计算当前位置m₁与m₂的时延值；测得此过程中m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度110°；m₄以同样过程旋转，上位机可测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度82°；

步骤2-3、令m₂在[108°,112°]之间移动，并且每旋转0.5°停顿一下，上位机计算当前位置m₁与m₂的时延值，测得此过程中m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度110.5°；m₄以同样过程旋转，上位机可测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度83.0；

步骤2-4、则α₁＝180°-110.5°＝69.5°，α₂＝83.0°。

步骤3、计算投影Q'到m₁的距离d₁和该投影到m₃的距离d₂：

根据Q'、m₁和m₃构成的三角形中已知一个边长2L和两个夹角α₁和α₂，由三角形正弦定理可得：

从而可求得声源目标在水平面投影到两个麦克风阵列中心的距离d₁为2.1497m和d₂为2.0288m。

步骤4、结合图4，分别计算声源目标Q与m₁、m₃所连直线与XOY平面的夹角和声源目标到m₁、m₃距离的算法步骤如下：

步骤4-1、此过程的初始时刻m₂、m₄位于上述在XOY平面m₁与m₂、m₃与m₄时延值最大的位置，此时与XOY平面夹角为0°；驱动圆形轨道圆心处直流电机，使得m₂在垂直平面绕m₁旋转，m₄在垂直平面绕m₃旋转；m₂、m₄向上运动夹角为正，向下运动夹角为负，运动范围为(-90°,90°)。圆形轨道圆心处电机先驱动m2、m₄从与XOY平面夹角0°向90°方向旋转，每旋转10°停顿一下，上位机计算此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值；当旋转至90°时，令m₂、m₄返回与XOY平面夹角0°状态，并向-90°方向旋转；同样，每旋转10°停顿一下，上位机计算此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值。此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为40°，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为40°；

步骤4-2、令m₂在[30°,50°]之间移动，并且m₂每旋转2°停顿一下，测一次时延值；记录此次旋转的最大时延值对应的旋转角度36°；m₄以同样过程旋转，上位机可测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度38°；

步骤4-3、令m₂在[γ'_min,γ'_max]之间移动，并且m₂每旋转0.5°停顿一下，测一次时延值。最终记录最大时延值对应的旋转角度36.0°；m₄以同样过程旋转，上位机可测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度37.5°；

步骤4-4、根据两个移动麦克风所旋转的角度，得出β₁和β₂：

此前对应的则β₁＝36.0°，β₂＝37.5°；

步骤5、由上述测得的声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂以及声源目标分别与两个麦克风阵列中固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂，可以求得

步骤6、计算声源目标Q的三维空间坐标：

步骤6-1、结合图5，计算声源目标Q在XOY平面的投影Q'到原点O的距离R及与Q'、O与m₃形成的以O为顶点的夹角ψ，由正弦定理和余弦定理可得：

R²＝L²+d₁ ²-2cosα₁

由上述两公式可算得R为2.0423m，cosψ等于-0.098，并进一步求得ψ为95.6°；

步骤6-2、根据上述测得各参数，此时且ψ>90°，则声源目标Q坐标中x＝-Rcos(180°-ψ)＝0.1993，y＝Rsin(180°-ψ)＝1.9310，z＝D₁sinβ₁＝1.5619，最终得到Q的三维空间坐标(0.1993,1.9310,1.5619)，该结果与真实声源目标误差较小，证明本方法是可行的。

本实施例中，对两个麦克风阵列内的固定麦克风与移动麦克风之间的时延估计时所有麦克风都采集一段时间为10ms的目标声音信号，通过数据采集卡传给上位机进行计算。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，其特征在于，包括第一麦克风阵列、第二麦克风阵列、控制解析模块、数据采集卡、供电模块和上位机；

第一麦克风阵列包括一个第一固定麦克风和一个第一可移动麦克风，第一固定麦克风设置在第一圆形轨道圆心处，第一圆形轨道所在平面与地面垂直，第一可移动麦克风设置在第一圆形轨道上，与第一固定麦克风相对距离保持不变；所述第一圆形轨道通过支架设置在底座上，第一圆形轨道圆心处设置有装载第一光电编码器的第一直流电机，第一直流电机驱动第一圆形轨道在垂直方向自转；所述底座设置有装载第二光电编码器的第二直流电机，第二直流电机驱动底座在水平方向自转；

第二麦克风阵列与第一麦克风阵列结构完全相同，包括第二固定麦克风和第二可移动麦克风，第二圆形轨道圆心处设置有装载第三光电编码器的第三直流电机，底座设置有装载第四光电编码器的第四直流电机；

上述两个麦克风阵列均通过数据采集卡与上位机相连，数据采集卡将采集到的声音信号传输给上位机；四个光电编码器通过控制解析模块与上位机相连，将与声音信号同步的可移动麦克风旋转角度信息传输给上位机，上位机通过控制解析模块控制四个直流电机的转向和转速；

所述供电模块为两个麦克风阵列、数据采集卡、控制解析模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置，其特征在于，所述两个麦克风阵列的圆形轨道半径均为10cm，所述支架和底座合计高为20cm，第一固定麦克风和第二固定麦克风的距离为1～2m。

3.一种基于权利要求1所述基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定两个固定麦克风之间的距离，建立坐标系：以两个固定麦克风位置中点为原点、两个固定麦克风连线为x轴，包含x轴且平行于水平面的平面为XOY平面；初始时刻，两个可移动麦克风与两个固定麦克风在同一条直线上；

步骤2、通过驱动底座中的直流电机使得两个可移动麦克风从初始时刻开始绕对应的固定麦克风同方向旋转180°，根据广义互相关法确定旋转过程中不同位置的可移动麦克风与对应的固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时可移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，得到声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角；当任意一个夹角的大小为0°或者180°时，移动一个麦克风阵列，使得移动后的两个固定麦克风连线与移动前两个固定麦克风连线不重叠，返回步骤1；

步骤3、根据两个固定麦克风的距离以及步骤2得到的声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，由三角形正弦定理确定声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂；

步骤4、以步骤2中得到的时延值最大的位置为起始位置，通过两个麦克风阵列圆形轨道圆心处的直流电机驱动可移动麦克风绕各自固定麦克风先逆时针旋转90°，再从起始位置顺时针旋转90°，根据广义互相关法确定在旋转过程中不同位置的可移动麦克风与固定麦克风之间的时延值，比较不同位置的时延值，确定时延值最大时两个可移动麦克风相对于初始位置的旋转角度，分别得到声源目标与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂；

步骤5、根据步骤3得到的d₁和d₂以及步骤4得到的β₁和β₂，由三角几何关系确定声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离；

步骤6、根据声源目标在XOY平面的投影到原点的距离，以及该投影与原点的连线与x轴的夹角，由三角形正余弦定理确定声源目标的坐标值。

4.根据权利要求3所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

设第一麦克风阵列的第一固定麦克风为m₁，第一可移动麦克风为m₂，第一圆形轨道半径为r；第二麦克风阵列的第二固定麦克风为m₃，第二可移动麦克风为m₄，第二圆形轨道半径为r；

以m₁m₃的中点为原点O、以为x轴、初始时刻所有麦克风所在且平行于水平面的平面为XOY平面建立坐标系，m₁和m₃之间的距离为2L，其中L>r，则m₁坐标为(-L,0,0)，m₃坐标为(L,0,0)，在初始时刻，m₂的坐标为(-L-r,0,0)，m₄的坐标为(L-r,0,0)；设声源目标为Q，坐标为(x,y,z)，其在XOY平面的投影Q'坐标为(x,y,0)。

5.根据权利要求4所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

当麦克风阵列的可移动麦克风位于对应的固定麦克风与声源目标Q在XOY平面的投影Q'所连直线上时，Q发出的声音信号到这固定麦克风与可移动麦克风的传播路程差最大，即此时两个麦克风时延值最大；确定同一麦克风阵列中两个麦克风时延最大值的相对位置即可找到Q'所在的直线，两个麦克风阵列确定的两条直线的交点即为Q'的位置；

确定投影Q'与m₁、m₃形成三角形中以m₁、m₃为顶点的夹角的具体步骤如下：

步骤2-1、令m₂在XOY平面以m₁为圆心旋转180°，m₄在XOY平面以m₃为圆心旋转180°；m₂、m₄每旋转10°停顿一下，确定此位置m₁与m₂的时延值和m₃与m₄的时延值；设此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为θ₁，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为θ₂；

步骤2-2、令m₂在[θ_min,θ_max]之间移动，其中θ_min＝max(0°,θ₁-10°)，θ_max＝min(180°,θ₁+10°)，每旋转2°停顿一下，确定当前位置m₁与m₂的时延值；测得m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度θ'₁；m₄以同样过程旋转，测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度θ'₂；

步骤2-3、令m₂在[θ'_min,θ'_max]之间移动，其中θ'_min＝max(0°,θ'1-2°)，θ'_max＝min(180°,θ'₁+2°)，每旋转0.5°停顿一下，确定当前位置m₁与m₂的时延值；测得m₁与m₂最大时延值对应的旋转角度同样方法得到m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度

步骤2-4、声源目标在XOY平面的投影与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角，其中以第一固定麦克风为顶点的夹角为α₁，以第二固定麦克风为顶点的夹角为α₂；则α₁和α₂分别为：

当则

当则

6.根据权利要求5所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

根据步骤1和步骤2中得到的m₁和m₃的距离为2L，L>0，以及声源目标在XOY平面的投影Q'与两个麦克风阵列中固定麦克风所构成三角形中以两个固定麦克风为顶点的夹角α₁和α₂；声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离为d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离为d₂，由三角形正弦定理可得：

即得到d₁和d₂。

7.根据权利要求6所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

当麦克风阵列的可移动麦克风在固定麦克风与声源目标Q所连直线上时，声源目标到这两个麦克风的传播路程差最大，此时两个麦克风的时延值最大；确定麦克风阵列中两个麦克风时延最大值的相对位置即可找到声源目标所在的直线，两个麦克风阵列确定的两条直线可以找到Q的位置；

分别确定Q与m₁、m₃所连直线与XOY平面的夹角具体过程为：

步骤4-1、初始时刻m₂、m₄位于步骤2中在XOY平面m₁与m₂、m₃与m₄时延值最大的位置，此时与XOY平面夹角为0°；驱动圆形轨道圆心处直流电机，使得m₂在垂直平面绕m₁旋转，m₄在垂直平面绕m₃旋转；m₂、m₄向上运动夹角为正，向下运动夹角为负，运动范围为(-90°,90°)；

令m₂、m₄从与XOY平面夹角0°向90°方向旋转，每旋转10°停顿一下，分别确定此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值；当旋转至90°时，令m₂、m₄返回与XOY平面夹角0°状态，并向-90°方向旋转；每旋转10°停顿一下，确定此位置m₁与m₂、m₃与m₄的时延值；设此旋转过程中记录的m₁与m₂的最大时延值对应的旋转角度为γ₁，m₃与m₄的最大时延值对应的旋转角度为γ₂；

步骤4-2、令m₂在[γ_min,γ_max]之间移动，其中γ_min＝max(-90°,γ₁-10°)，γ_max＝min(90°,γ1+10°)，m₂每旋转2°停顿一下，确定当前时延值；确定此旋转过程中的最大时延值对应的旋转角度γ'₁；m₄以同样过程旋转，测得此旋转过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度γ'₂；

步骤4-3、令m₂在在[γ'_min,γ'_max]之间移动，其中γ'_min＝max(-90°,γ₁-2°)，γ'_max＝min(90°,γ₁+2°)，m₂每旋转0.5°停顿一下，确定当前时延值，最终记录最大时延值对应的旋转角度m₄以同样过程旋转，测得此过程中m₃与m₄最大时延值对应的旋转角度

步骤4-4、根据两个可移动麦克风所旋转的角度，分以下两种情况得出β₁和β₂：

若此前对应的则

若此前对应的则

8.根据权利要求7所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

由上述测得的声源目标在XOY平面的投影到第一麦克风阵列的固定麦克风的距离d₁和该投影到第二麦克风阵列的固定麦克风的距离d₂以及声源目标分别与两个麦克风阵列固定麦克风所连直线与XOY平面的夹角β₁和β₂，可得声源目标到两个麦克风阵列中固定麦克风的距离D₁和D₂分别为：

$D_1=\frac{d_1}{{\mathrm{cos\β}}_1},D_2=\frac{d_2}{{\mathrm{cos\β}}_2}.$

9.根据权利要求8所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

步骤6-1、计算声源目标Q在XOY平面的投影Q'到原点O的距离R及与Q'、O与m₃形成的以O为顶点的夹角ψ，根据正弦定理和余弦定理可得：

R²＝L²+d₁ ²-2cosα₁

$cos\mathrm{\ψ}=\frac{L^2+R^2-{d_1}^2}{2LR}$

由cosψ得到ψ；

步骤6-2、确定Q的三维空间坐标值：

当且ψ≤90°时，声源目标Q坐标中x＝Rcosψ，y＝Rsinψ，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ>90°时，声源目标Q坐标中x＝-Rcos(180°-ψ)，y＝Rsin(180°-ψ)，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ≤90°时，声源目标Q坐标中x＝Rcosψ，y＝-Rsinψ，z＝D₁sinβ₁；

当且ψ>90°时，声源目标Q坐标中x＝-Rcos(180°-ψ)，y＝-Rsin(180°-ψ)，z＝D₁sinβ₁。

10.根据权利要求5或7所述的基于轨道移动双麦克风阵列的声源定位装置的定位方法，其特征在于，确定固定麦克风与可移动麦克风之间时延值的具体方法为：

第一步、当m₁与m₂停顿时，两个麦克风阵列均采集一段时间为10ms～30ms的目标声音信号；

第二步、设m₁与m₂接收到的声音信号模型分别为：

X₁(t)＝a₁S(t)+n₁(t)

X₂(t)＝a₂S(t)+n₂(t)

其中，a₁、a₂分别为声源信号到达m₁、m₂传播过程中的衰减系数，S(t)为声源信号，n₁(t)、n₂(t)分别为m₁、m₂接收到的附加噪声，设麦克风对m₁、m₂之间的时延值为τ_1,2；

对信号X₁(t)、X₂(t)分别进行傅里叶变换，得到频域信号X₁(ω)和X₂(ω)，互功率谱函数为：

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

其互相关函数为：

$R_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}}{G}_{X_1{X}_2}\left(\mathrm{\ω}\right)e^{j\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}d\mathrm{\ω}$

第三步、对互相关函数进行峰值测定，互相关函数峰值对应的横坐标即为时延值τ_1,2；

同理可测得m₃与m₄停顿时两者之间的时延值τ_3,4。