CN111157950B - 一种基于传感器的声音定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于传感器的声音定位方法，该方法包括：利用所述多个声音传感器采集来自同一声源的声音时域数据；针对每个声音传感器，将该声音传感器采集的声音时域数据转换为声音频域数据；根据该声音传感器对应的声音频域数据，计算该声音传感器对应的高频比值；根据所述多个声音传感器对应的高频比值，确定所述声源所处的方向，其中，所述声源所处的方向为所述声音传感器朝向的方向或者所述声音传感器背向的方向，可以有效的减小噪声干扰对声源定位的影响；并且基于同一原点的区域划分，一个区域内的角度基本相同，在确定了声源在哪个区域之后，则可以准确定位出该声源，使得声源定位更准确。
Description
技术领域
本发明属于声音定位的技术领域，具体涉及一种基于传感器的声 音定位方法。
背景技术
基于声音采集的声源定位系统是集声学采集、微电子、精密机械 以及信号处理等技术为一体的一种全新综合技术，在机器人领域、安 保、军事和反恐等领域具有广阔的应用前景。其中，基于声音采集的 声源定位系统在军事方面的应用能提高个人或者载具的防御能力、降 低战场伤亡情况。但是，基于声音采集的声源定位系统虽然已经有了初步发展，但是在实际应用中仍然存在很多问题有待改进，例如，功 能比较单一，没有形成完善的体系，反应速度慢，定位精度差以及人 机交互性能差等问题。因此，一些学者提出了在监控系统领域引入音 频，通过定位声源的方法确定声源的位置，进而调整摄像头转动，准 确及时的捕捉到画面。目前，基于麦克风阵列的声源定位技术受到越 来越多的关注，基于时间差估计的双步定向算法对声源进行定位，此种算法的麦克风阵列中包括两个独立、特性相同且朝向相同的麦克风， 其中，规定麦克风朝向的方向为正向，麦克风背向的方向为反向，此种算法只能够确定声源相对于正向的初始位置的偏移角度，就是说， 只能够默认声源在正向，不能够实时的根据声源产生的声音信号确定 声源所处的向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于传感器的声音定位 方法，实现对周围环境的声音方位进行判断的作用。
本发明采用的技术方案是，一种基于传感器的声音定位方法，设 置多个独立且特性相同的声音传感器，任意两个声音传感器间隔预设 距离，并且每个声音传感器朝向的方向相同，传感器内布置软性消音 材料，该方法包括：
利用所述多个声音传感器采集来自同一声源的声音时域数据；针对每 个声音传感器，将该声音传感器采集的声音时域数据转换为声音频域 数据；根据该声音传感器对应的声音频域数据，计算该声音传感器对 应的高频比值；根据所述多个声音传感器对应的高频比值，确定所述 声源所处的方向，其中，所述声源所处的方向为所述声音传感器朝向的方向或者所述声音传感器背向的方向，包括以下步骤：
步骤1，通过声音传感器测得声音信号；通过声音处理器记录声 音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差；
步骤2，通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标 值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息；
步骤3，在驱动电路中加入信号采集电路，将分流器两端的电压信号 进行采集；
步骤4，根据读取的电压信号，由欧姆定律：I＝U/R，可以直接 得到此时流过电流的大小；
步骤5，通过电流输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行 设备能够识别的电子脉,冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应 的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。
预先划分的区域为：从所述声音传感器阵列中的第一声音传感器 与第二声音传感器的连线起，以所述第一声音传感器为原点，按照预 设角度将所述声音传感器阵列所处平面划分得到的多个扇形区域。
第一声音传感器为所述第一传感器对与所述第二传感器对中相 同的声音传感器，所述第一声音传感器与所述第二声音传感器的连线 垂直于 第一声音传感器与所述传感器阵列中的第三声音传感器的连线。
分别计算各预先划分的区域对应的第一传播功率，及所述分别计算各 预先划分的区域对应的第二传播功率，包括：采用预设频域变换算法， 将所述第一传感器对和/或所述第二传感器对中的各声音传感器分别 接收到的声音信号变换为频域信号；
步骤3的具体方法包括：所述方向性声音传感器以某一点为中心 按上、下、左、右、前、后间隔90°排列，所述声音传感器均与中 央处理芯片(6)连接，所述软件消音材料为聚酯吸音棉。
本发明的有益效果是，具有方向选择功能，只接收与声音通道方 向的声音，其它方向传播的声音明显被削弱，扩展了声音传感器的功 能，适用于广泛的场合，为判断声源方位与追踪提从了硬件支持； 用独特的消音腔设计，配合特定消音材料，对其他方向的声音消音效 果好；结构简单，易集成。可实现平面与立体环境声源方向识别，减少了电路及软件算法设计，降低了成本。预先对声音传感器阵列所处 平面划分得到具有同一原点的多个区域。根据各传感器对中各声音传 感器接收到的声音信号，可以通过计算得到各预先划分的区域对应的 传播功率，声源所处的区域对应的传播功率最大，而噪声的传播功率 往往较小，因此通过传播功率的计算，可以有效的减小噪声干扰对声 源定位的影响；并且基于同一原点的区域划分，一个区域内的角度基本相同，在确定了声源在哪个区域之后，则可以准确定位出该声源， 使得声源定位更准确。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明 并不局限于该具体实施方式。
一种基于传感器的声音定位方法，设置多个独立且特性相同的声 音传感器，任意两个声音传感器间隔预设距离，并且每个声音传感器 朝向的方向相同，传感器内布置软性消音材料，该方法包括：
利用所述多个声音传感器采集来自同一声源的声音时域数据；针对每 个声音传感器，将该声音传感器采集的声音时域数据转换为声音频域 数据；根据该声音传感器对应的声音频域数据，计算该声音传感器对 应的高频比值；根据所述多个声音传感器对应的高频比值，确定所述 声源所处的方向，其中，所述声源所处的方向为所述声音传感器朝向的方向或者所述声音传感器背向的方向，包括以下步骤：
步骤1，通过声音传感器测得声音信号；通过声音处理器记录声 音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差；
步骤2，通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标 值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息；
步骤3，在驱动电路中加入信号采集电路，将分流器两端的电压信号 进行采集；
步骤4，根据读取的电压信号，由欧姆定律：I＝U/R，可以直接 得到此时流过电流的大小；
步骤5，通过电流输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉,冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应 的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所 述音频信号发生给音频接收设备。
预先划分的区域为：从所述声音传感器阵列中的第一声音传感器 与第二声音传感器的连线起，以所述第一声音传感器为原点，按照预 设角度将所述声音传感器阵列所处平面划分得到的多个扇形区域。
第一声音传感器为所述第一传感器对与所述第二 传感器对中相同的声音传感器，所述第一声音传感器与所述第二声音 传感器的连线垂直于 所述第一声音传感器与所述传感器阵列中的第三声音传感器的连线。 分别计算各预先划分的区域对应的第一传播功率，及所述分别计算各 预先划分的区域对应的第二传播功率，包括：采用预设频域变换算法，将所述第一传感器对和/或所述第二传感器对中的各声音传感器分别 接收到的声音信号变换为频域信号；
根据权利要求1所述的一种基于传感器的声音定位方法，其特征 在于，所述步骤3的具体方法包括：所述方向性声音传感器以某一点 为中心按上、下、左、右、前、后间隔90°排列，所述声音传感器 均与中央处理芯片(6)连接，所述软件消音材料为聚酯吸音棉。
本实施例提供一种利用本发明创造方法进行无人机的识别和 定位的方法，包括如下步骤：
S1、将无线声音传感器节点分布在需要进行无人机识别和定位的 区域，每个无线声音传感器节点之间的距离在300-500m之间；
S2、所述无线声音传感器节点中的七个声音传感器开始录制环境 声音，并将环境声音信号传输至信号滤波放大模块；所述信号滤波 放大模块对环境声音信号进行滤波放大并传输至ADC模块；ADC模 块将经过滤波放大后的环境声音信号进行采样并传输至MCU；所述 MCU对ADC模块采用的环境声音信号进行音频编码并通过无线发送 模块发送至离自身最近的下一个无线声音传感器节点或总控制器；另外，所述无线发送模块在接收上一个无线声音传感器节点的声音 信号后传输至离自身最近的下一个无线声音传感器节点或总控制器； 在本实施例中，有其他无线声音传感器节点离自身较总控制器近，各 个无线声音传感器节点会将环境声音信号传输至离自身最近的无线 声音传感器节点，然后由该接收的无线声音传感器节点将环境声音 信号继续传输至下一个离自身最近的无线声音传感器节点，直至传输至总控制器中。如果总控制器离自身最近，则直接传输至总控制器 中。
S3、总控制器的解码模块将接收到的环境声音信号进行解码，然 后总控制器的声音识别模块对解码后的环境声音信号进行识别，判 断其是否含有无人机的声音；
S4、当声音识别模块识别出有无线声音传感器节点录制的环境声 音中含有无人机的声音时，按照如下方法对无人机的位置进行定位 计算：
设定录制的环境声音中含有无人机的声音的无线声音传感器节 点的七个声音传感器的位置坐标分别为M0(0，0，0)、M1(L，0,0)、 M2(0,L,0)、M3(-L,0,0)、M4(0,-L,0)、M5(0，0,-L)、M6(0,0,L)，无 人机的坐标为(x,y,z)、方位角为俯仰角为θ(0°≤θ≤90°)，声音 的传播速度为c＝340m/s，ri表示无人机的声音到达第0个声音传感 器的位置M0与无人机的声音到达第i个声音传感器的位置Mi的距离 差值，ti表示无人机的声音到达第i个声音传感器与无人机的声音到 达第0个声音传感器的时间差；由声音传感器与无人机的声音的几何位置关系。
本发明根据各传感器对中各声音传感器接收到的声音信号，可 以通过计算得到各预先划分的区域对应的传播功率，声源所处的区域 对应的传播功率最大，而噪声的传播功率往往较小，因此通过传播功 率的计算，可以有效的减小噪声干扰对声源定位的影响；并且基于同一原点的区域划分，一个区域内的角度基本相同，在确定了声源在哪 个区域之后，则可以准确定位出该声源，使得声源定位更准确。
Claims (5)
1.一种基于传感器的声音定位方法，设置多个独立且特性相同的声音传感器，任意两个声音传感器间隔预设距离，并且每个声音传感器朝向的方向相同，传感器内布置软性消音材料，该方法包括：利用所述多个声音传感器采集来自同一声源的声音时域数据；针对每个声音传感器，将该声音传感器采集的声音时域数据转换为声音频域数据；根据该声音传感器对应的声音频域数据，计算该声音传感器对应的高频比值；根据所述多个声音传感器对应的高频比值，确定所述声源所处的方向，其中，所述声源所处的方向为所述声音传感器朝向的方向或者所述声音传感器背向的方向，包括以下步骤：
步骤1，通过声音传感器测得声音信号；通过声音处理器记录声音处理器采集到的各声音传感器感应到声音信号的感应时间差；
步骤2，通过信息处理模块根据所述声音传感器的安装位置坐标值以及所述感应时间差计算所述声音信号对应的声源位置信息；
步骤3，在驱动电路中加入信号采集电路，将分流器两端的电压信号进行采集；所述方向性声音传感器以某一点为中心按上、下、左、右、前、后间隔90°排列，所述声音传感器均与中央处理芯片(6)连接，所述软件消音材料为聚酯吸音棉；
步骤4，根据读取的电压信号，由欧姆定律：I＝U/R，可以直接得到此时流过电流的大小；
步骤5，通过电流输出模块将所述声源位置信息转换为电子执行设备能够识别的电子脉,冲信号，并将所述电子脉冲信号发送给对应的电子执行设备，或者将所述声源位置信息转换为音频信号，并将所述音频信号发生给音频接收设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于传感器的声音定位方法，其特征在于，所述预先划分的区域为：从所述声音传感器阵列中的第一声音传感器与第二声音传感器的连线起，以所述第一声音传感器为原点，按照预设角度将所述声音传感器阵列所处平面划分得到的多个扇形区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于传感器的声音定位方法，其特征在于，所述第一声音传感器为所述第一传感器对与所述第二传感器对中相同的声音传感器，所述第一声音传感器与所述第二声音传感器的连线垂直。
4.根据权利要求1所述的一种基于传感器的声音定位方法，其特征在于，所述第一声音传感器与所述传感器阵列中的第三声音传感器的连线。
5.根据权利要求1所述的一种基于传感器的声音定位方法，其特征在于，所述分别计算各预先划分的区域对应的第一传播功率，及所述分别计算各预先划分的区域对应的第二传播功率，包括：采用预设频域变换算法，将所述第一传感器对和/或所述第二传感器对中的各声音传感器分别接收到的声音信号变换为频域信号。
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