CN109254265A - 一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，包括以下步骤：步骤一、设置2个麦克风阵列，在每个阵列中求得鸣笛声相对该阵列的声源方向，分别用表示；步骤二、根据步骤一求得的进一步获得鸣笛车辆位置；相对现有技术，本发明的方法具有以下优点：1、提高定位精度，降低鸣笛误判率；2、增强到达时间差(TDOA)估计的鲁棒性；3、降低定位方法的计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆定位方法，具体涉及一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法。
背景技术
普通的基于麦克风阵列声源定位方法主要归结为以下三类：(1)基于最大输出功率的可控波束形成技术；(2)基于到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)的定位技术；(3)基于高分辨率谱估计的定位技术。现有上述三类的普通定位方法均未能同时满足高精度、达到时间差(TDOA)估计的鲁棒性强和计算复杂度低定位要求。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，提供一种定位精度高，达到时间差的鲁棒性强和计算复杂度低的麦克风阵列生源定位方法，本发明提供了一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，包括以下步骤：
步骤一、设置2个麦克风阵列，在每个阵列中求得鸣笛声相对该阵列的声源方向，分别用表示；
步骤二、根据步骤一求得的进一步获得鸣笛车辆位置；
其中所述在单个阵列中求得的鸣笛声相对该阵列的声源方向或的步骤为：
步骤1、求解任意两个麦克风i、j之间的互相关函数Rij(τ)：令τ为两个麦克风之间的时间延迟，互相关函数的表示为：
求解(1)式的计算复杂度为O(N2)，为了降低其计算复杂度，可将(1)式近似为：
(2)式的计算复杂度为O(N log2N)；其中，Xj(k)、Xj(k)分别为xi[n]、xj[n]的离散傅里叶变换形式，即为互相关频谱；
对(2)式进行归一化，可得：
步骤2、求解进行加权处理后的互相关函数：首先，为了抑制噪声信号的影响，求解出一个抑制噪声的权值：
其中，X(k)为在给定时间内所有麦克风的平均功率谱密度；Xn(k)为基于之前X(k)的平均时间的噪声估计；α＜1，其值可根据噪声估计效果来选取；
求解出一个增强信号的权值：
当鸣笛声源信号比噪声信号更强，则γ取值越大，其中0＜γ＜1；
求解出经过加权处理的互相关函数：
步骤3、利用N个麦克风进行到达时间差估计：
令ΔTij表示麦克风i和j之间的到达时间差，其可通过求解互相关函数的峰值来获得，求解公式为：
在N个麦克风所构成的阵列中，选取第1个麦克风作为参考麦克风；则N(N-1)/2对的到达时间差可表示为：
ΔTij＝ΔT1j-ΔT1i (8)
其中，i≠j；
步骤4、利用几何模型进行鸣笛车辆声源方向定位：
麦克风i到麦克风j的连线方向与声源方向的夹角φ：
其中，为麦克风i到麦克风j距离向量，是鸣笛声源方向的单位向量，同理，对于直角减去φ后的角θ有：
式中，c代表声速。结合(9)式和(10)式，得：
令第i个麦克风的位置为(xiyi，zi)；可将式(11)写成标量的表达形式为：
u(xj-xi)+v(yj-yi)+w(zj-zi)＝cΔTij (12)
由N个麦克风构成的N-1等式可写成矩阵形式：
求解式(14)所得的(u，v，w)即为相对于麦克风阵列第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向；按照上述方法分别求得相对于麦克风阵列1和麦克风阵列2第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向(u1，v1，w1)和(u2，v2，w2)，即和
进一步地，所述步骤二中，鸣笛车辆位置具体为和的交点。
进一步地，所述每个麦克风阵列至少有4个麦克风，且麦克风阵列中至少有一个麦克风与其他麦克风不在同一平面。
进一步地，所述每个麦克风阵列有8个麦克风，且麦克风阵列中每个麦克风设置在长方体的一个顶点上。
相对现有技术，本发明的方法具有以下优点：
1、提高定位精度，降低鸣笛误判率。
2、增强到达时间差(TDOA)估计的鲁棒性。
3、降低定位方法的计算复杂度。
附图说明
图1为本发明定位方法的流程图。
图2为根据TDOA计算出声源方向几何示意图。
图3为阵列1和阵列2对鸣笛车辆的定位的示意图。
图4为阵列1中麦克风的摆放图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的定位方法的流程图，本实施例采用2个麦克风阵列对鸣笛车辆进行定位，一个阵列由8个麦克风构成，如图4所示，麦克风阵列中每个麦克风设置在长方体的一个顶点上(改变麦克风数量以及位置可作为新的实施例)。
本发明的方法总体分为两步：
步骤一、在每个阵列中求得鸣笛声相对该阵列的声源方向，分别用 表示；
步骤二、根据步骤一求得的进一步获得鸣笛车辆位置；
其具体步骤为：
步骤1、求解任意两个麦克风i、j之间的互相关函数Rij(τ)：令τ为两个麦克风之间的时间延迟，互相关函数的表示为：
求解(1)式的计算复杂度为O(N2)，为了降低其计算复杂度，可将(1)式近似为：
(2)式的计算复杂度为O(N log2N)；其中，Xi(k)、Xj(k)分别为xi[n]、xj[n]的离散傅里叶变换形式，即为互相关频谱；
对(2)式进行归一化，可得：
步骤2、求解进行加权处理后的互相关函数。为增强系统TDOA估计的鲁棒性，对互相关函数进行加权处理。首先，为了抑制噪声信号的影响，求解出一个抑制噪声的权值：
其中，X(k)为在给定时间内所有麦克风的平均功率谱密度；Xn(k)为基于之前X(k)的平均时间的噪声估计；α＜1，其值可根据噪声估计效果来选取；
求解出一个增强信号的权值：
当鸣笛声源信号比噪声信号更强，则γ取值越大，其中0＜γ＜1；
求解出经过加权处理的互相关函数：
步骤3、利用个麦克风进行到达时间差(Time Delay of Arrival，TDOA)估计。
令ΔTij表示麦克风i和j之间的到达时间差，其可通过求解互相关函数的峰值来获得，求解公式为：
在个麦克风所构成的阵列中，选取一个作为参考麦克风，在本发明中选取第1个麦克风作为参考麦克风。则N(N-1)/2对的到达时间差可表示为：
ΔTij＝ΔT1j-ΔT1i (8)
其中，i≠j；
步骤4、如图2，本发明利用该几何模型进行鸣笛车辆声源方向定位。
麦克风i与麦克风j之间的连线与声源方向的夹角φ：
其中，为麦克风i到麦克风j距离向量，是鸣笛声源方向的单位向量，同理，对于直角减去φ后的角θ有：
式中，c代表声速。结合(9)式和(10)式，得：
令第i个麦克风的位置为(xiyi，zi)；可将式(11)写成标量的表达形式为：
u(xj-xi)+v(yj-yi)+w(zj-zi)＝cΔTij (12)
由N个麦克风构成的N-1等式可写成矩阵形式：
为了保证式(13)有解，则需要麦克风并不是全都在同一个平面。则有：
求解式(14)所得的(u，v，w)即为相对于麦克风阵列第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向；按照上述方法分别求得相对于麦克风阵列1和麦克风阵列2中各自的第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向(u1，v1，w1)和(u2，v2，w2)，即和
步骤5、如图3，本发明利用该几何模型进行鸣笛车辆位置定位。
利用两条不平行射线确定一点的原理求得鸣笛车辆位置定位。采用两个相同的麦克风阵列，每个麦克风阵列各自进行上述步骤求得两个声源方向 和按图3方式相交即可得到鸣笛车辆位置(lx，ly，lz)。
本实施例中鸣笛车辆位置(lx，ly，lz)选取第一个麦克风阵列中参考麦克风作为坐标原点，改变参考坐标系可作为新的实施例。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设置2个麦克风阵列，在每个阵列中求得鸣笛声相对该阵列的声源方向，分别用表示；
步骤二、根据步骤一求得的进一步获得鸣笛车辆位置；
其中所述在单个阵列中求得的鸣笛声相对该阵列的声源方向或的步骤为：
步骤1、求解任意两个麦克风i、j之间的互相关函数Rij(τ)：令τ为两个麦克风之间的时间延迟，互相关函数的表示为：
求解(1)式的计算复杂度为O(N2)，为了降低其计算复杂度，可将(1)式近似为：
(2)式的计算复杂度为O(N log2N)；其中，Xi(k)、Xj(k)分别为xi[n]、xj[n]的离散傅里叶变换形式，即为互相关频谱；
对(2)式进行归一化，可得：
步骤2、求解进行加权处理后的互相关函数：首先，为了抑制噪声信号的影响，求解出一个抑制噪声的权值：
其中，X(k)为在给定时间内所有麦克风的平均功率谱密度；Xn(k)为基于之前X(k)的平均时间的噪声估计；α＜1，其值可根据噪声估计效果来选取；
求解出一个增强信号的权值：
当鸣笛声源信号比噪声信号更强，则γ取值越大，其中0＜γ＜1；
求解出经过加权处理的互相关函数：
步骤3、利用N个麦克风进行到达时间差估计：
令ΔTij表示麦克风i和j之间的到达时间差，其可通过求解互相关函数的峰值来获得，求解公式为：
在N个麦克风所构成的阵列中，选取第1个麦克风作为参考麦克风；则N(N-1)/2对的到达时间差可表示为：
ΔTij＝ΔT1j-ΔT1i (8)
其中，i≠j；
步骤4、利用几何模型进行鸣笛车辆声源方向定位：
麦克风i到麦克风j的连线方向与声源方向的夹角φ：
其中，为麦克风i到麦克风j距离向量，是鸣笛声源方向的单位向量，同理，对于直角减去φ后的角θ有：
式中，c代表声速。结合(9)式和(10)式，得：
令第i个麦克风的位置为(xiyi，zi)；可将式(11)写成标量的表达形式为：
u(xj-xi)+v(yj-yi)+w(zj-zi)＝cΔTij (12)
由N个麦克风构成的N-1等式可写成矩阵形式：
求解式(14)所得的(u，v，w)即为相对于麦克风阵列第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向；按照上述方法分别求得相对于麦克风阵列1和麦克风阵列2中第1个麦克风的鸣笛车辆声源方向(u1，v1，w1)和(u2，v2，w2)，即和
2.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，其特征在于：所述步骤二中，鸣笛车辆位置具体为和的交点。
3.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，其特征在于：所述每个麦克风阵列至少有4个麦克风，且麦克风阵列中至少有一个麦克风与其他麦克风不在同一平面。
4.根据权利要求3所述的基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法，其特征在于：所述每个麦克风阵列有8个麦克风，且麦克风阵列中每个麦克风设置在长方体的一个顶点上。
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| CN201811342172.1A CN109254265A (zh) | 2018-11-12 | 2018-11-12 | 一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法 |
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| CN201811342172.1A Pending CN109254265A (zh) | 2018-11-12 | 2018-11-12 | 一种基于麦克风阵列的鸣笛车辆定位方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN109254265A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109741609A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-05-10 | 南京理工大学 | 一种基于麦克风阵列的机动车鸣笛声监测方法 |
| CN111256238A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-06-09 | 金文睿 | 负离子发生仪的方向调整方法、系统及负离子发生仪系统 |
| CN111815958A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-23 | 安徽超清科技股份有限公司 | 一种交通电子警察抓拍控制装置及方法 |
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| CN109741609B (zh) * | 2019-02-25 | 2021-05-04 | 南京理工大学 | 一种基于麦克风阵列的机动车鸣笛声监测方法 |
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| CN111815958B (zh) * | 2020-06-18 | 2022-11-29 | 安徽超清科技股份有限公司 | 一种交通电子警察抓拍控制装置及方法 |
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