CN112104928A - 一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统 - Google Patents

一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统。智能音箱，包括：第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。实现了基于相对角度计算的定向发声。

Description

一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统
技术领域
本发明实施方式涉及声音处理技术领域，更具体地，涉及一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统。
背景技术
随着室内定位技术和通信技术的不断发展，移动终端的功能日趋丰富，极大地提高了人们日常工作、生活的便捷性和娱乐性。目前，市场推出的智能音箱多是按预设定的响度来播放，或者可以使用移动终端无线控制音频的播放、音量的调节。
目前，在基于用户位置的音频音量、方向控制智能音箱的方法中，现有技术主要通过麦克风阵列拾取语音的音量大小判断用户距离，或者通过测距传感器获取用户位置，继而反馈给智能音箱调节音量大小。
发明内容
本发明实施方式提出一种智能音箱、控制智能音箱的方法和系统。
本发明实施方式的技术方案如下：
一种智能音箱，包括：第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
在一个实施方式中，角度确定模块，用于基于
Figure BDA0002490165750000021
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000022
其中
Figure BDA0002490165750000023
在一个实施方式中，发声模块，用于控制扬声器阵列基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音；或
智能音箱还包括：距离确定模块，用于确定智能音箱与发声设备之间的距离，其中发声模块，用于控制扬声器阵列基于所述相对角度和所述距离向所述发声设备定向发射声音，其中所述声音的音量与所述距离具有单调递增关系。
一种控制智能音箱的方法，所述智能音箱包括第一声音检测模块和第二声音检测模块，该方法包括：检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号，检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度；基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
在一个实施方式中，基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度包括：基于
Figure BDA0002490165750000024
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000025
其中
Figure BDA0002490165750000026
在一个实施方式中，所述基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音；或
该方法进一步包括：确定智能音箱与发声设备之间的距离；其中所述基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度和所述距离向所述发声设备定向发射声音，其中所述声音的音量与所述距离具有单调递增关系。
在一个实施方式中，所述第一声音信号和第二声音信号为包含所述发声设备的标识的超声波信号。
一种控制智能音箱的系统，包括：发声设备；智能音箱，包括：第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号，其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为所述发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差，基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
在一个实施方式中，所述发声设备包括：智能手机；智能耳机；智能遥控器；平板电脑；个人数字助理；智能手环；智能眼镜。
一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如上任一项所述的控制智能音箱的方法。
从上述技术方案可以看出，智能音箱包括：第一声音检测模块，用于检测直达第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。由此可见，本发明实现了基于相对角度计算的定向发声，提高了用户体验。
附图说明
图1为本发明智能设备间的相对角度确定方法的示范性流程图。
图2为本发明智能设备间相对角度确定的原理示意图。
图3为本发明智能设备间相对角度的计算原理图。
图4为本发明确定一对直达信号的第一示范性示意图。
图5为本发明确定一对直达信号的第二示范性示意图。
图6为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第一示范性布置示意图。
图7为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第二示范性布置示意图。
图8为本发明第一智能设备和第二智能设备的相对定位示意图。
图9为本发明在智能设备界面中展示相对角度的示意图。
图10为本发明智能设备间相对定位的示范性处理流程图。
图11为根据本发明的智能音箱的结构图。
图12为根据本发明控制智能音箱的方法的流程图。
图13为根据本发明控制智能音箱的系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
为不额外添加硬件地、利用软件实现智能设备间相对方向定位，使得该相对定位具备普适性，不同厂家的设备都能实现互操作和互兼容，并基于此探索智能设备的创新应用，本发明实施方式提出一种基于声音(优选为超声)的智能设备间相对方向识别方案，无需额外添加硬件，可以利用软件实现两台智能设备间的相对方向识别，定位结果准确且可靠。
首先，智能设备(intelligent device)是指任何一种具有计算处理能力的设备、器械或者机器。图1为本发明智能设备间的相对角度确定方法的示范性流程图。该方法适用于第一智能设备，第一智能设备包括第一声音检测模块和第二声音检测模块。第一声音检测模块和第二声音检测模块在第一智能设备中被固定安装。比如，第一声音检测模块可以实施为布置在第一智能设备中的一个麦克风或一组麦克风阵列。同样地，第二声音检测模块可以实施为布置在第一智能设备中的、不同于第一声音检测模块的一个麦克风或一组麦克风阵列。
如图1所示，该方法包括：
步骤101：使能第一声音检测模块检测第二智能设备发出并直达第一声音检测模块的第一声音信号，使能第二声音检测模块检测第二智能设备发出并直达第二声音检测模块的第二声音信号，其中第一声音信号和第二声音信号为第二智能设备同时发出的。
在这里，第二智能设备可以发出一个声音信号或同时发出多个声音信号。
比如：当第二智能设备发出一个声音信号时，第二智能设备中的第一声音检测模块和第二声音检测模块分别检测该声音信号。其中：第一声音检测模块检测到的、该声音信号直达第一声音检测模块的检测信号被确定为第一声音信号；第二声音检测模块检测到的、该声音信号直达第一声音检测模块的检测信号，被确定为第二声音信号。再比如，当第二智能设备同时发出多个声音信号时，比如发出一个超声波信号，一个可听声音信号。第二智能设备中的第一声音检测模块适配于检测超声波信号，第二声音检测模块适配于检测可听声音信号。第一声音检测模块检测该超声波信号，第二声音检测模块该可听声音信号。其中：第一声音检测模块检测到的、该超声波信号直达第一声音检测模块的检测信号被确定为第一声音信号；第二声音检测模块检测到的、该可听声音信号直达第二声音检测模块的检测信号，被确定为第二声音信号。
换句话说，第一声音信号和第二声音信号，可以为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对第二智能设备发出的同一声音信号的分别检测信号。或，第一声音信号和第二声音信号，可以为第一声音检测模块和第二声音检测模块针对第二智能设备同时发出的不同声音信号的分别检测信号。
步骤102：确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差。
在这里，第一智能设备(比如，第一智能设备中的CPU)可以记录第一声音信号的接收时刻以及第二声音信号的接收时刻，并计算这两者之间的时间差。
步骤103：基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及时间差，确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度。
比如，可以由第一智能设备的CPU执行步骤103。
在一个实施方式中，步骤103中确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度包括：基于
Figure BDA0002490165750000061
确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000062
其中
Figure BDA0002490165750000063
其中，步骤102中确定出的时间差的值可以为正数，也可以为负数。当所述时间差的值为正数时，第二声音信号的接收时刻早于第一声音信号的接收时刻，因此第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度φ通常为锐角；当时间差的值为负数时，第一声音信号的接收时刻早于第二声音信号的接收时刻，因此第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度φ通常为钝角。
在本发明实施方式中，第一声音信号为自第二智能设备直达第一声音检测模块的信号，第二声音信号为自第二智能设备直达第二声音检测模块的信号。实际上，无论是第一声音检测模块还是第二声音检测模块，都可能收到自第二智能设备发出且非直达的信号(比如，经过障碍物的一次反射或多次发射)。因此，如何从接收到的多个信号中确定出直达信号具有显著意义。
申请人发现：通常情况下，每个声音检测模块的接收信号流(steam)都包含直达信道与反射信道。可以依据如下原则简单且便利地确定直达信道：在声音检测模块检测到的所有信号中，直达信道的信号强度一般是最强的。
因此，在一个实施方式中，该方法还包括：将第一声音检测模块接收第二智能设备的声音信号流中的、在预定时间窗口内强度大于预定门限值的声音信号，确定为所述第一声音信号；将第二声音检测模块接收第二智能设备的声音信号流中的、在所述预定时间窗口内强度大于所述预定门限值的声音信号，确定为所述第二声音信号。
图4为本发明确定一对直达信号的第一示范性示意图。在图4中，第一声音检测模块检测到的声音信号流为steam1，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值为T。可见，在时间窗口90的范围内，steam1中的脉冲信号50的信号强度大于门限值T。第二声音检测模块检测到的声音信号流为steam2，steam2包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值同样为T。可见，在时间窗口90的范围内，steam2中的脉冲信号60的信号强度大于门限值T。因此，确定脉冲信号50为第一声音信号；脉冲信号60为第二声音信号。
另外，申请人还发现：可以综合考虑以下两个原则准确地确定直达信道：原则(1)、在声音检测模块检测到的所有信号中，直达信道的信号强度一般是最强的；原则(2)、联合判别法：两条直达信道信号(第一声音信号和第二声音信号)的到达时间差所换算出的距离差d不应大于第一声音检测模块和第二声音检测模块之间的距离。
因此，在一个实施方式中，该方法还包括：在第一声音检测模块检测第二智能设备的声音信号流中确定出强度大于预定门限值的声音信号，以形成第一候选信号集；在第二声音检测模块检测第二智能设备的声音信号流中确定出强度大于所述预定门限值的声音信号，以形成第二候选信号集；确定第一候选信号集中的每个声音信号的接收时刻与第二候选信号集中的每个声音信号的接收时刻之间的各自的时间差；将所述时间差小于M的一对声音信号，确定为所述第一声音信号和第二声音信号，其中M＝(D/c),D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。
图5为本发明确定一对直达信号的第二示范性示意图。在图5中，第一声音检测模块检测到的声音信号流为steam1，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值为T。可见，在steam1中，脉冲信号50的信号强度大于门限值T，因此第一候选信号集包含脉冲信号50。第二声音检测模块检测到的声音信号流为steam2，steam1包含沿着时间(t)变化的多个脉冲信号，预定信号强度的门限值同样为T。可见，在steam2中，脉冲信号60和脉冲信号70的信号强度都大于门限值T，因此第二候选信号集包含脉冲信号60和脉冲信号70。
而且，确定第一候选信号集中的脉冲信号50与第二候选信号集中的脉冲信号60的接收时刻之间的时间差d1，以及确定第一候选信号集中的脉冲信号50与第二候选信号集中的脉冲信号70的接收时刻之间的时间差d2。假定d1小于M，d2大于M，其中M＝(D/c)，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。因此，将与d1相关的一对声音信号中的脉冲信号50确定为第一声音信号，且该对声音信号中的脉冲信号60确定为第二声音信号。
优选地，第一声音信号和第二声音信号为具有码分多址格式的超声波且包含第二智能设备的媒体访问控制地址(MAC)。
因此，第一智能设备可以基于包含在声音信号中的第二智能设备的MAC地址，准确识别声音信号的来源。当环境中存在多个发出声音信号的声源时，第一智能设备基于提取声音信号中的MAC地址，可以准确利用来自于同一声源的两个直达信号确定与该声源的相对角度，而不会受到其它声源的干扰。
本发明实施方式还提出了一种智能设备间的相对角度确定方法。该方法适用于第一智能设备，第一智能设备包括第一声音检测模块和第二声音检测模块，该方法包括：确定第二智能设备发出的超声波信号直达第一声音检测模块的第一时刻；确定超声波信号直达第二声音检测模块的第二时刻；确定第一时刻与第二时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及时间差，确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度。
在一个实施方式中，确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度包括：基于
Figure BDA0002490165750000091
确定θ；其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定第一智能设备与第二智能设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000092
其中
Figure BDA0002490165750000093
在一个实施方式中，该方法还包括下列处理中的至少一个：
(1)、将第一声音检测模块接收第二智能设备的超声波信号流中的、在预定时间窗口内强度大于预定门限值的超声波信号，确定为直达第一声音检测模块的超声波信号，将接收到该直达第一声音检测模块的超声波信号的时刻确定为所述第一时刻；将第二声音检测模块接收第二智能设备的超声波信号流中的、在所述预定时间窗口内强度大于所述预定门限值的超声波信号，确定为直达第二声音检测模块的超声波信号，将接收到该直达第二声音检测模块的超声波信号的时刻确定为所述第二时刻。
(2)、在第一声音检测模块检测第二智能设备的超声波信号流中确定出强度大于预定门限值的超声波信号，以形成第一候选信号集；在第二声音检测模块检测第二智能设备的超声波信号流中确定出强度大于所述预定门限值的超声波信号，以形成第二候选信号集；确定第一候选信号集中的每个超声波信号的接收时刻与第二候选信号集中的每个超声波信号的接收时刻之间的各自的时间差；将时间差小于M的一对超声波信号的接收时刻，确定为第一时刻和第二时刻，其中M＝(D/c),D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离，c为声音的传播速度。
下面对本发明的相对定位的原理和计算过程进行示范性说明。
图2为本发明智能设备间相对角度确定的原理示意图。图3为本发明智能设备间相对角度的计算原理图。如图2所示，布置在智能设备A底部的麦克风a1发射超声信号，该超声信号包含智能设备A的MAC地址，智能设备B(图2中没有示出)具有相隔布置的两个麦克风，分别为麦克风b1和麦克风b2。其中：麦克风b1接收该超声信号的直达信号L1，麦克风b2接收该超声信号的直达信号L2。该超声信号经过障碍物发射后到达麦克风b1和麦克风b2的非直达信号，不参与后续的相对角度计算。由于智能设备较小，特别是两台智能设备相距较远时，因此直达信号L1、L2可以视为平行线。
如图3所示，L1、L2分别表示智能设备B的麦克风b1、麦克风b2接收到的直达信号(不是经障碍物反射的信号)；D为麦克风b1和麦克风b2之间的距离。比如，如果麦克风b1和麦克风b2分别布置在智能设备B的上下两端，那么D可以为智能设备B的长度；自麦克风b2向直达信号L1作垂线，垂足与麦克风b1之间的距离即为d，d为L1和L2的距离差，运用信号的相关算法可以确定直达信号L1相对于直达信号L2的延迟时间差t，可以基于延迟时间差t计算出d，其中d＝t*c,c为声音在介质(比如空气)中的传播速度；θ为辅助角度，其中
Figure BDA0002490165750000101
因此，可以计算出智能设备A与智能设备B的相对角度
Figure BDA0002490165750000102
其中
Figure BDA0002490165750000103
优选地，智能设备A与智能设备B可以实施为下列中的至少一个：智能手机；平板电脑；智能手表；智能手环；智能音箱；智能电视；智能耳机；智能机器人，等等。
可以在智能设备的多个位置处布置第一声音检测模块和第二声音检测模块。图6为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第一示范性布置示意图。在图6中，第一声音检测模块18和第二声音检测模块19分别布置在智能设备在长度方向上的两端，因此可以直接将智能设备的长度D确定为第一声音检测模块18和第二声音检测模块19之间的距离。图7为本发明的第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的第二示范性布置示意图。在图7中，第一声音检测模块18和第二声音检测模块19分别布置在智能设备在宽度方向上的两端，因此可以直接将智能设备的宽度D确定为第一声音检测模块18和第二声音检测模块19之间的距离。
以上示范性描述了第一声音检测模块和第二声音检测模块在智能设备中的布置示意图，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
实际上，目前智能设备通常都具有两组麦克风，可以将这两组麦克风作为第一声音检测模块和第二声音检测模块应用在本发明实施方式中，而无需在硬件上改动智能设备。
下面描述基于本发明实施方式利用超声计算智能设备间的相对角度的典型实例。
图8为本发明第一智能设备和第二智能设备的相对定位示意图。图10为本发明智能设备间相对定位的示范性处理流程图。在图7中，示意出检测声音信号的两组合麦克风的各自的处理路径，其中，模/数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)是将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件；带通滤波器(band-pass filter，BPF)是允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。基于超声的两台智能设备间相对方向识别步骤包括：
第一步：第一智能设备发射超声格式的定位信号，该定位信号包含智能设备1的Mac地址。
第二步：第二智能设备的两组麦克风分别检测定位信号，从各自检测到的定位信号中解析出Mac地址，并基于Mac地址确认各自检测到的定位信号源自同一声源。
第三步：第二智能设备基于自身所包含的两组麦克风分别检测出的、针对定位信号的两个直达信号之间的时间差计算出这两个直达信号的距离差d。
第四步：第二智能设备计算
Figure BDA0002490165750000121
则信号入射角度
Figure BDA0002490165750000122
Figure BDA0002490165750000123
即为第一智能设备与第二智能设备的相对角度，其中D为第二智能设备中这两组麦克风的距离。
第五步：第二智能设备在自身的显示界面上显示相对角度
Figure BDA0002490165750000124
从而提示用户第一智能设备的相对方向。比如，图9为本发明在智能设备界面中展示相对角度的示意图。
举例说明，假定在图8所示的环境中，第一智能设备具体实施为智能音箱，第一智能设备具体实施为智能手机。
步骤一：该智能音箱发射超声信号，该超声信号包含智能音箱的Mac地址，且为基于CDMA码分多址技术架构的信号。
步骤二：智能手机的两组麦克风阵列接收超声信号并解算出智能音箱的Mac地址，同时，智能手机解算出两组麦克风阵列的两个直达信号之间的距离差d。其中：假定两组克风阵列的各自接收信号流stream1和stream2中，分别存在信号强度峰值大于门限值T的直达信号，因此满足原则1；再假定这两个直达信号的到达时间差
Figure BDA0002490165750000125
计算对应于该Δt的d，其中
Figure BDA0002490165750000126
两组麦克风距离D为已知(即手机长度)，假定为0.145m，可见d＜D，因此满足原则2。因此，可以选定这两个直达信号计算相对角度，其中d＝0.014(m)。
步骤三：智能手机计算
Figure BDA0002490165750000127
那么信号入射角度
Figure BDA0002490165750000128
智能手机在自己的显示屏幕上显示角度84.4°，即智能音箱在智能手机的84.4°方向。
利用两个智能设备间相对方向的识别方法，可进一步获得两个智能设备间的相对距离。设想如下场景：有至少两个智能设备，其中，至少一个智能设备a，用于发射超声定位信号，该超声定位信号包含智能设备a的MAC地址；至少一个智能设备b，用于接收超声定位信号并解算信号入射角度，并在进一步发生移动后计算与智能设备a的相对距离。
基于上述描述，本发明实施方式还提出了根据上述相对角度计算方式，利用发声设备(比如，智能手机、智能耳机，等等)控制智能音箱的应用场景。
图11为根据本发明的智能音箱的结构图。该智能音箱中布置有第一声音检测模块和第二声音检测模块，第一声音检测模块和第二声音检测模块之间具有固定的距离。第一声音检测模块和第二声音检测模块之间的距离，相对于与发声设备的距离较小。优选地，考虑到用于控制智能音箱的发声设备通常在几米之外，第一声音检测模块和第二声音检测模块之间的距离一般不超过0.5米。
如图11所示，智能音箱，包括：第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
发声设备可以实施为适于被用户手持或穿戴的智能设备，比如智能手机、智能耳机、智能遥控器、平板电脑、个人数字助理，智能手环、智能眼镜，等等。发声设备利用内置的麦克风(或麦克风阵列)同时发射直达第一声音检测模块的第一声音信号和直达第二声音检测模块的第二声音信号。
第一声音检测模块和第二声音检测模块可以分别实施为麦克风或麦克风阵列。比如，第一声音检测模块和第二声音检测模块可以复用智能音箱中原有的两个麦克风。或，在智能音箱上新增布置两个麦克风，以作为第一声音检测模块和第二声音检测模块。优选地，第一声音检测模块与第二声音检测模块可以布置在智能音箱中的任意位置，比如箱顶或箱壁等等，本发明实施方式对此并无限定。
智能音箱计算与发声设备之间的相对角度的方式，可以参照图1所示的关于
Figure BDA0002490165750000144
的确定方法。智能音箱对应于图1所示方法中的第一智能设备，发声设备对应于图1所示方法中的第二智能设备，此处不再赘述相对角度的确定过程。智能音箱可以利用音箱内置的控制器执行相对角度的确定过程，或者利用单片机、单板机或DSP等控制模块执行相对角度的确定过程。
在一个实施方式中，角度确定模块，用于基于
Figure BDA0002490165750000141
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000142
其中
Figure BDA0002490165750000143
发声模块，用于基于相对角度向发声设备定向发射声音。可见，本发明的智能音箱的声音不再如传统方式在360度上扩散声音，而是有方向的、沿着一定的路径传送声音。
在一个实施方式中，发声模块用于控制扬声器阵列基于相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于相对角度向发声设备定向发射声音。
具体地，发声模块可以基于多种定向声技术实现定向发射声音。比如：
1、扬声器阵列技术：通过大量的高频喇叭组成阵列以形成波束，波束方向即主瓣方向具有最高的能量，波束方向对准基于该相对角度被定位出的发声设备。具体地，发声模块包括：阵列处理器，用于基于相对角度生成包含对准发声设备的波束偏角的音频信号；数模转换器，用于将音频信号转换为模拟格式；功率放大器，用于功率放大数模转换器输出的音频信号；扬声器阵列，用于发射功率放大器输出的音频信号。
2、基于超声的声频定向传播技术：将可听声音信号调制到超声载波信号之上，并由超声换能器发射到空气中，不同频率的超声波在空气中传播的过程中，由于空气的非线性声学效应，这些信号会发生交互作用和自解调，进而产生频率为原超声频率之和(和频)与频率之差(差频)的新声波。若超声波选取合适，那么差频声波则可落在可听声区域。这样，借助超声波本身的高指向性，实现了声音定向传播的过程。具体的，发声模块包括：超声波定向发声器。
以上示范性描述了发声模块的典型实施例，本领域技术人员可以意识到，这种描述仅是示范性的，并不用于限定本发明实施方式的保护范围。
具体地，智能音箱可以基于多种方式确定智能音箱与发声设备之间的距离。比如，基于声音定位(优选为超声定位)方式，等等。
举例1：智能音箱与发声设备保持时间同步，第一声音信号进一步包含第一声音信号的发送时刻T1，其中智能音箱确定智能音箱与发声设备之间的距离包括：智能音箱中的控制器计算智能音箱与发声设备之间的距离L；其中L＝(T2-T1)×c；c为声音在空气中的传播速度；T2为第一声音信号的接收时刻。
举例2：智能音箱与发声设备保持时间同步，第二声音信号进一步包含第二声音信号的发送时刻T3，其中智能音箱确定智能音箱与发声设备之间的距离包括：智能音箱中的控制器计算智能音箱与发声设备之间的距离L；其中L＝(T4-T3)×c；c为声音在空气中的传播速度；T4为第二声音信号的接收时刻。
以上示范性描述了智能音箱确定智能音箱与发声设备之间的距离的典型实例，实际上，智能音箱还可以采用红外线测距、蓝牙测距、非时间同步的超声测距等方式确定与发声设备之间的距离，本发明实施方式对此并无限定。
优选地，当采用扬声器阵列技术实现定向发声时，还可以进一步结合智能音箱与发声设备之间的距离控制定向发射声音的音量。具体地，智能音箱还包括：距离确定模块，用于确定智能音箱与发声设备之间的距离，其中发声模块，用于控制扬声器阵列基于相对角度和距离向发声设备定向发射声音，其中声音的音量与距离具有单调递增关系。比如，当距离越大时，则发声模块发出的声音音量越大，从而克服路径传输衰减。因此，本发明还可以实现智能音箱根据用户位置及位置变化自适应调节音频音量和方向，提升音箱的智能化程度，使得用户体验更佳。
图12为根据本发明控制智能音箱的方法的流程图。智能音箱包括第一声音检测模块和第二声音检测模块。
如图12所示，该方法包括：
步骤1201：检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号，检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的。
步骤1202：确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差。
步骤1203：基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度。
步骤1204：基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
在一个实施方式中，基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度包括：
基于
Figure BDA0002490165750000161
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure BDA0002490165750000162
其中
Figure BDA0002490165750000163
在一个实施方式中，基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音；或，该方法进一步包括：确定智能音箱与发声设备之间的距离；其中所述基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度和所述距离向所述发声设备定向发射声音，其中所述声音的音量与所述距离具有单调递增关系。
在一个实施方式中，所述第一声音信号和第二声音信号为包含所述发声设备的标识的超声波信号。因此，基于比对第一声音检测模块和第二声音检测模块各自检测到的声音信号中的标识是否一致，智能音箱可以判断声音信号是否源自同一声源。
图13为根据本发明控制智能音箱的系统的结构图。在图13中，当用户期望智能音箱30朝着自己定向播放音乐时，用户打开智能手机40中的APP，并触发APP中的播放按键。智能手机40的麦克风20发出包含智能手机40的唯一标识的超声信号。第一麦克风18和第二麦克风19紧密布置在智能音箱30的侧壁上。第一麦克风18和第二麦克风19之间的距离为D。而且，第一麦克风18和第二麦克风19分别接收超声信号，其中第一麦克风18沿着麦克风20与第一麦克风18的连线K接收到直达超声信号，第二麦克风19沿着麦克风20与第二麦克风19的连线E接收到直达超声信号。当智能音箱30中的控制器判定第一麦克风18和第二麦克风19接收到的直达超声信号中所包含的智能手机的唯一标识相同时，控制器分别计算出智能音箱30与智能手机40的相对角度
Figure BDA0002490165750000171
和智能音箱30与智能手机40之间的距离L。相对角度
Figure BDA0002490165750000172
为：麦克风20与第一麦克风18的连线K与第一麦克风18和第二麦克风19的连线A之间的夹角，或麦克风20与第二麦克风19的连线E与第一麦克风18和第二麦克风19的连线A之间的夹角，其中由于D相对于L足够小，这两个夹角可视为相同。
当智能音箱30内置超声波定向发声器时，基于相对角度
Figure BDA0002490165750000173
向智能手机40定向发射声音。此时，定向发射的声音范围在直线B与直线C之间，其中直线B和直线C与连线A之间的夹角都是
Figure BDA0002490165750000174
位于直线B与直线C之间的、手持智能手机40的用户可以定向收听到声音，而且位于直线B与直线C之间各个位置处的音量都相同。
当智能音箱30内置扬声器阵列时，控制扬声器阵列基于相对角度
Figure BDA0002490165750000181
和距离L向智能手机40定向发射声音，其中声音的音量与距离L具有单调递增关系。此时，声音的主波束的涵盖直线B与直线C所限定的区域，而且主波束的波束偏角为
Figure BDA0002490165750000182
因此，位于直线B与直线C之间的、手持智能手机40的用户可以定向收听到声音。而且，当距离L越大时，扬声器阵列发出的声音音量越大，从而克服路径传输衰减，以尽量保证位于直线B与直线C之间各个位置处的音量都相同。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明上述各实施例中实现的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种智能音箱，其特征在于，包括：
第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；
第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；
角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度；
发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
2.根据权利要求1所述的智能音箱，其特征在于，
角度确定模块，用于基于
Figure FDA0002490165740000011
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure FDA0002490165740000012
其中
Figure FDA0002490165740000013
3.根据权利要求1所述的智能音箱，其特征在于，
发声模块，用于控制扬声器阵列基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音；或
智能音箱还包括：距离确定模块，用于确定智能音箱与发声设备之间的距离，其中发声模块，用于控制扬声器阵列基于所述相对角度和所述距离向所述发声设备定向发射声音，其中所述声音的音量与所述距离具有单调递增关系。
4.一种控制智能音箱的方法，其特征在于，所述智能音箱包括第一声音检测模块和第二声音检测模块，该方法包括：
检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号，检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号；其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为同一发声设备同时发射的；
确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差；
基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度；
基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
5.根据权利要求4所述的控制智能音箱的方法，其特征在于，基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度包括：
基于
Figure FDA0002490165740000021
确定θ，其中arcsin为反正弦函数，d＝t*c，t为所述时间差，c为声音的传播速度，D为第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离；基于θ确定该智能音箱与该发声设备之间的相对角度
Figure FDA0002490165740000022
其中
Figure FDA0002490165740000023
6.根据权利要求4所述的控制智能音箱的方法，其特征在于，
所述基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音，或控制超声波定向发声器基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音；或
该方法进一步包括：确定智能音箱与发声设备之间的距离；其中所述基于相对角度向所述发声设备定向发射声音包括：控制扬声器阵列基于所述相对角度和所述距离向所述发声设备定向发射声音，其中所述声音的音量与所述距离具有单调递增关系。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的控制智能音箱的方法，其特征在于，所述第一声音信号和第二声音信号为包含所述发声设备的标识的超声波信号。
8.一种控制智能音箱的系统，其特征在于，包括：
发声设备；
智能音箱，包括：第一声音检测模块，用于检测直达所述第一声音检测模块的第一声音信号；第二声音检测模块，用于检测直达所述第二声音检测模块的第二声音信号，其中所述第一声音信号和所述第二声音信号为所述发声设备同时发射的；角度确定模块，用于确定第一声音信号的接收时刻与第二声音信号的接收时刻之间的时间差，基于第一声音检测模块与第二声音检测模块之间的距离以及所述时间差，确定该智能音箱与发声设备之间的相对角度；发声模块，用于基于所述相对角度向所述发声设备定向发射声音。
9.根据权利要求8所述的控制智能音箱的系统，其特征在于，所述发声设备包括：智能手机；智能耳机；智能遥控器；平板电脑；个人数字助理；智能手环；智能眼镜。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可读指令，该计算机可读指令用于执行如权利要求4-7中任一项所述的控制智能音箱的方法。
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