CN107276706A - 一种基于uwb的指向性音源广播系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于UWB的指向性音源广播系统，属于自动化技术领域，解决现有技术中的定向音频传输技术，指向性差，不能够自动跟踪目标调整方向的问题。本发明包括；UWB定位模块：用于对移动目标进行实时跟踪；信息处理模块：用于对UWB定位模块的跟踪信息进行处理；超声波发射模块：用于将音源信号调制到超声波上进行发射；数字化电动云台：用于接收信息处理模块处理的信息对云台上的超声波发射模块进行转动控制。本发明用于定向音频广播。
Description
技术领域
一种基于UWB的指向性音源广播系统，用于定向音频广播，属于自动化技术领域。
背景技术
声音定向传输需要解决二个问题：1、如何形成具有指向性特性的音频信号；2、如何使声波指向自动跟踪目标。
在公众场合如街头、会议室需要对某一特定目标进行声音的私有传输时，常见的方式是通过无线通信方式传输，接收方接收后通过耳机听音。采用超声波发射，具有指向性好的特点，适合应用在对目标的定向音频广播,系统工作时为保证定向效果，发射方需与目标同步移动，保证音频定向方向与目标一致。再如在公开场合要对不同目标进行不同内容的音频信号传输时，在外事活动中对不同对象进行不同语言的同声翻译广播等场合，如能进行音频定向传输则可实现上述功能。综上所述，采用超声波换能器阵定向音频传输技术，并且阵列能够随着目标移动而调整方向是保证音频定向传输的基本要求。
传统的定向传输方式是采用喇叭或无线通信的方式，存在以下问题：
1、通过喇叭直接传输方式，指向性差，几乎与周围没有隔离；
2、无线通信方式需要电子发射和电子接收装置，听音需要耳机或扬声器；
3、无线通信方式中接收装置需要供电支持，如用无线耳机需将电池装至耳机，受体积限制电池容量有限；
4、音源无法随目标移动而自动调整方向；
由于以上问题存在，音频定向传输系统应具有下述特点：1、指向性强；2、能够自动跟踪目标调整方向。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有技术中的定向音频传输技术，指向性差，不能够自动跟踪目标调整方向的问题，提供了一种基于UWB的指向性音源广播系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：包括；
UWB定位模块：用于对移动目标进行实时跟踪；
信息处理模块：用于对UWB定位模块的跟踪信息进行处理；
超声波发射模块：用于将音源信号调制到超声波上进行发射；
数字化电动云台：用于接收信息处理模块处理的信息对云台上的超声波发射模块进行转动控制。
进一步，所述UWB定位模块包括；
UWB有源标签：用于设置在移动目标上发射UWB脉冲信号；
UWB传感器：用于接收UWB有源标签发送的UWB脉冲信号；
UWB脉冲信号集中器：用于将UWB传感器接收的UWB脉冲信号发送给信息处理模块；
位移传感器：用于检测移动目标是否移动。
进一步，所述信号处理模块包括；
信号处理板：用于接收、存储、输入、输出UWB定位模块的跟踪信息的中央硬件控制平台；
软件处理模块：用于UWB脉冲信号的处理；
所述软件处理模块搭载在信号处理板上；所述软件处理模块包括:
嵌入式操作系统:基于信号处理板的软件系统平台；
定位引擎组件:用于定位算法的工具包，即有关定位算法的处理；
处理程序：建立在嵌入式操作系统上的事务处理软件，接收定位引擎组件输出的定位信息，接收数字化电动云台输出的云台状态信息。
进一步，所述数字化电动云台包括通信接口，水平、垂直电机和通过通信接口接收信号处理模块发出的指令，进行水平、垂直电机控制的控制模块。
进一步，所述超声波发射模块包括将音源与超声波进行调制形成超声信号的调制模块和将调制模块调制的超声信号进行发射的超声换能器阵列。
进一步，所述超声波发射模块是将模拟的音频信号放大后经过模数转换形成数字音频信号，形成的数字音频信号进入信号处理模块，完成信号的调制和数字滤波，再由数模转换成模拟的带有模拟音频信息的超声信号，经过功率放大后送至超声换能器阵列，超声换能器阵列工作于超声波频率段内，将接收的超声波信号发射。
进一步，所述UWB传感器至少有3个。
进一步，所述定位引擎组件中的定位算法可以采用到达时间差法和到达角法复合定位算法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一、本发明通过UWB定位，获取移动目标的三维空间信息，在获取移动目标空间信息后，以定位信息为依据，控制云台运行，为一种自动跟踪拍摄方式，通过超声波进行对移动目标定向音频广播，具有定位精度高的特点，指向性强等优点，与传统人工方式相比，可以减少由于人为因素带来的延迟；
二、本发明声音发射方式采用超声换能器阵列发射，声音波束窄，指向性好；
三、超声波换能器发射的信号经过大气传输，能直接实现解调，成为可听音，无需解调电路；
四、本发明由于是直接定位，具有反应速度快的特点；
五、本发明具有发射距离远的特点；
六、本发明多套设备使用时可以实现多目标交叉定向传输；
七、整个系统为数字化处理系统，定位误差在cm级别。
附图说明
图1是本发明超声波换能器声波形成示意图；
图2是本发明的系统体系结构图；
图3是本发明的系统硬件平台构成图；
图4是本发明的UWB硬件平台构成图；
图5是本发明的超声波发射模块结构图；
图6是本发明的系统工作流程图；
图7是本发明中采用到达时间差法算法的示意图；
图8是本发明中采用到达角法算法的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于UWB的指向性音源广播系统，包括；
UWB定位模块：用于对移动目标进行实时跟踪；
信息处理模块：用于对UWB定位模块的跟踪信息进行处理；
超声波发射模块：用于将音源信号调制到超声波上进行发射；
数字化电动云台：用于接收信息处理模块处理的信息对云台上的超声波发射模块进行转动控制。
UWB有源标签：用于设置在移动目标上发射UWB脉冲信号；
UWB传感器：用于接收UWB有源标签发送的UWB脉冲信号；
UWB脉冲信号集中器：用于将UWB传感器接收的UWB脉冲信号发送给信息处理模块；
位移传感器：用于检测移动目标是否移动。
所述信号处理模块包括；
信号处理板：用于接收、存储、输入、输出UWB定位模块的跟踪信息的中央硬件控制平台；
软件处理模块：用于UWB脉冲信号的处理；
所述软件处理模块搭载在信号处理板上；所述软件处理模块包括:
嵌入式操作系统:基于信号处理板的软件系统平台；
定位引擎组件:用于定位算法的工具包，即有关定位算法的处理；
定位算法可以采用到达时间差法(TDOA)和到达角法(AOA)复合定位算法；
到达时间差法，采用多个UWB传感器，用多个UWB传感器接收信号的时间差来确定移动 UWB有源标签的位置，假设现场移动UWB有源标签与UWB传感器位置示意如图7所示，其中移动UWB有源标签坐标为(x0,y0)，UWB传感器坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，移动UWB有源标签发射的UWB脉冲信号到达UWB传感器的时间分别为t1、t2、t3，则有下面关系：
而
R21＝c×|t2-t1|
R31＝c×|t3-t1|，
R32＝c×|t3-t2|
其中，c为光速；
当(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、t1、t2、t3已知时，则可以计算出(x0,y0)，即移动UWB有源标签被定位。
到达角定位法(AOA)是通过参考UWB传感器接收移动UWB有源标签发射的UWB脉冲信号计算到达波的入射角，从而构成从UWB传感器到移动标签的径向连线，即方位线，利用多个UWB传感器提供的AOA测量值，按其定位算法确定多条方位线的交点，即为移动UWB 有源标签的位置。具体示意如图8所示。
为提高定位精度，可以采用TDOA和AOA法混合定位，可以有效发挥各自优点，有效提高定位精度。
处理程序：建立在嵌入式操作系统上的事务处理软件，接收定位引擎组件输出的定位信息，接收数字化电动云台输出的云台状态信息，计算当前水平、垂直电机的旋转量，形成输出指令。
所述数字化电动云台包括通信接口，水平、垂直电机和通过通信接口接收信号处理模块发出的指令，进行水平、垂直电机控制的控制模块。
所述超声波发射模块包括将音源与超声波进行调制形成超声信号的调制模块和将调制模块调制的超声信号进行发射的超声换能器阵列。
所述超声波发射模块是将模拟的音频信号放大后经过模数转换形成数字音频信号，形成的数字音频信号进入信号处理模块(DSP)，完成信号的调制和数字滤波，再由数模转换成模拟的带有模拟音频信息的超声信号，经过功率放大后送至超声换能器阵列，超声换能器阵列工作于超声波频率段内，将接收的超声波信号发射。
参见图1，本发明中超声换能器阵列(超声波换能器阵列)向空气中发射已调制超声波，在传播过程中由于非线性作用，调制信号解调为可听音，使得音频信号能量在声波前进方向上不断得到加强，这样形成一个端射式虚拟声源，超声逐渐转化为可听声的过程，可等价于一个扬声器。
参见图2，本发明主要包括四大模块：UWB定位模块、信号处理模块、超声波发射模块、数字化电动云台，首先建立现场的UWB定位硬件平台(即UWB定位模块)，主要设备包括UWB 传感器、有源标签、通信设备(UWB脉冲信号集中器)及相关电路，实现UWB定位模块之间的通信，同时将UWB定位模块信号传输至信号处理模块的信号处理板，信号处理板搭载的嵌入式系统处理接收数据，通过定位引擎组件引入算法，采用到达角法和到达时延计算实时坐标。系统对云台实时监控，通过实时监测获取实时云台状态信息(即获得信息处理模块处理的信息)，计算云台水平和俯仰转动角度调整量，发送指令，实现云台的水平和俯仰角度的旋转的调整。
参见图3，本发明通过对移动目标加装有源标签及电池实现标签与移动目标同步移动，由于UWB射频信号频率高，穿透能力强，只要不是全金属材质均可传输信号，同时由于UWB 系统标签功耗低，电池可以采用小体积的纽扣电池。
UWB传感器接收有源标签发送的UWB脉冲信号，当有三个以上UWB传感器时，就可以实现对移动目标的三维定位。UWB脉冲信号，通过有线或无线方式将信号传输到UWB脉冲信号集中器后再传输到信号处理板。
信号处理板为系统控制中心，核心为硬件处理器及存储、输入、输出处理电路及通信接口，为嵌入式系统的硬件平台，完成与UWB定位模块通信，接收UWB传感器与有源标签发出的UWB脉冲信号，经嵌入式系统处理后，生成可视化坐标数据，经过软件处理后输出对云台的控制指令。
数字化电动云台实现对云台的控制，实现对云台水平、垂直电机的控制，并且能对云台状态进行实时监控，并能够输出云台的实时状态信息。
参见图4：本发明中的UWB定位模块为定位硬件平台，包括UWB传感器、有源标签、通信设备及相关辅助设备，其中通信设备、UWB传感器在现场固定，有源标签固定在移动目标内，同时布置在移动目标内的还有位移传感器和电池。UWB传感器数量最少三个以上，根据跟踪目标活动的范围及UWB传感器接收信号的距离决定UWB传感器的数量。UWB传感器之间通过有线或无线的方式进行通信，其中一个UWB传感器为主传感器，由其发起UWB传感器网络的时间同步。有源标签在未工作时为节电处于休眠状态，当跟踪目标运动时，内部位移传感器工作，唤醒有源标签，由休眠状态转为激活状态。有源标签发送UWB脉冲信号， UWB传感器接收有源标签发送的UWB脉冲信号，并将接收到的信号传递到UWB脉冲信号通过 UWB脉冲信号集中器后再传输至信号处理板，由信号处理板搭载的嵌入式操作系统的处理程序处理，定位引擎采用综合算法(到达角度法、到达时间差法)计算三维位置。当跟踪目标静止时，通过内部位移传感器感知，有源标签由激活状态转为休眠状态。
参见图5，本发明中超声波发射模块将输入音源进行处理，模拟音源经过放大后再通过 A/D转换为数字信号，采用DSP实现数字调制后进行数字滤波，将滤波后数字信号经D/A转换为模拟信号，经过放大送至超声换能器阵列发射。
参见图6：本发明在系统启动后，首先对云台垂直、水平位置进行复位校准，复位到系统初始位置。跟踪目标搭载的有源标签在未工作前为节电处于休眠状态，当位移传感器探测到跟踪目标移动时，唤醒处于休眠状态的有源标签，有源标签进入激活状态，开始发射UWB脉冲信号，UWB传感器网络接收UWB脉冲信号后，通过UWB脉冲信号集中器将接受信号的相关数据传输至信号处理模块的信号处理板，信号处理板搭载的嵌入式操作系统对接收数据处理，通过定位引擎组件采用综合算法计算标签的三维位置信息。在获取移动目标三维位置信息同时，系统通过数字化电动云台获取当前云台垂直、水平位置实时状态信息，并根据上述信息计算云台水平、垂直电机旋转量变换量。数字化电动云台接收信号处理板行动控制指令，根据指令进行相应的动作。以上过程循环进行直至收到停止指令，当位移传感器探测到跟踪目标停止移动时，标签进入休眠状态，停止发射UWB脉冲信号，信号处理模块当未接收到UWB信号时数字化电动云台控制云台和镜头停止调整。
本发明采用了UWB技术进行定位，在数字化电动云台的支持下，可以对移动目标进行有效的跟踪瞄准，整个系统为数字化处理系统，定位误差在cm级别。由于采取的是直接定位，与现有的通过图像识别方式相比，无需通过对跟踪目标进行图像识别后控制，大大简化了目标跟踪算法的复杂度，使目标跟踪更易于实现。
超宽带精确定位技术是一种射频应用技术，是一种采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的通信方式，采用UWB可以实现通信、定位等功能，可以实现cm级定位精度，具有测距精度高、功耗低、易部署的特点，可以解决基于一维、二维、三维场景下的精确定位需要，可为自动跟踪拍摄提供定位技术支持。
将声音调制到超声波频段上发射，由于超声波波长远小于换能器尺寸，已调信号会集中在一个狭小的区域内，利用超声在空气中发生非线性交互作用的特点，超声中携带的音频信号将被解调出来，形成一束具有高指向性的可听声。采用超声波作为载波，具有指向性好、发射距离远、空气中可以直接解调成可听音的特点。
数字化电动云台是一种现在常见的可调云台，内置电机、通信模块及云台控制模块，通信模块完成外部控制指令的输入及云台状态信息的输出，接收控制指令输入后，将接收到的控制指令进行解码，转换为控制电机运行的控制信号；根据控制信号，驱动云台上的电机进行相应动作。当收到外部发出的输出云台状态信息的请求时，输出云台状态信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：包括；
UWB定位模块：用于对移动目标进行实时跟踪；
信息处理模块：用于对UWB定位模块的跟踪信息进行处理；
超声波发射模块：用于将音源信号调制到超声波上进行发射；
数字化电动云台：用于接收信息处理模块处理的信息对云台上的超声波发射模块进行转动控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述UWB定位模块包括；
UWB有源标签：用于设置在移动目标上发射UWB脉冲信号；
UWB传感器：用于接收UWB有源标签发送的UWB脉冲信号；
UWB脉冲信号集中器：用于将UWB传感器接收的UWB脉冲信号发送给信息处理模块；
位移传感器：用于检测移动目标是否移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述信号处理模块包括；
信号处理板：用于接收、存储、输入、输出UWB定位模块的跟踪信息的中央硬件控制平台；
软件处理模块：用于UWB脉冲信号的处理；
所述软件处理模块搭载在信号处理板上；所述软件处理模块包括:
嵌入式操作系统:基于信号处理板的软件系统平台；
定位引擎组件:用于定位算法的工具包，即有关定位算法的处理；
处理程序：建立在嵌入式操作系统上的事务处理软件，接收定位引擎组件输出的定位信息，接收数字化电动云台输出的云台状态信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述数字化电动云台包括通信接口，水平、垂直电机和通过通信接口接收信号处理模块发出的指令，进行水平、垂直电机控制的控制模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述超声波发射模块包括将音源与超声波进行调制形成超声信号的调制模块和将调制模块调制的超声信号进行发射的超声换能器阵列。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述超声波发射模块是将模拟的音频信号放大后经过模数转换形成数字音频信号，形成的数字音频信号进入信号处理模块，完成信号的调制和数字滤波，再由数模转换成模拟的带有模拟音频信息的超声信号，经过功率放大后送至超声换能器阵列，超声换能器阵列工作于超声波频率段内，将接收的超声波信号发射。
7.根据权利要求2所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述UWB传感器至少有3个。
8.根据权利要求3所述的一种基于UWB的指向性音源广播系统，其特征在于：所述定位引擎组件中的定位算法可以采用到达时间差法和到达角法复合定位算法。
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