CN113900064A - 基于双麦克风阵列的声源定位系统及其方法 - Google Patents
基于双麦克风阵列的声源定位系统及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了双麦克风阵列的声源定位系统及其方法。基于双麦克风阵列的声源定位系统包括一台PC端、两台树莓派和两个麦克风阵列。系统工作时，两个树莓派分别向两个麦克风阵列发送调用数据请求，两个麦克风阵列分别向两个树莓派传输数据；第一树莓派向第二树莓派发送调用数据请求，第一树莓派接收到第二树莓派发送的数据后，再经过计算向PC端发送声源位置信息。基于双麦克风阵列的声源定位方法包括：搭建双麦克风阵列的声源定位系统、建立双麦克风坐标轴、研究针对建立坐标轴的不同象限位置的声源定位方法。本发明装置系统组成简单，方便维护，有很好的经济性，所述的声源定位方法能够提高测量的精确度。
Description
技术领域
本发明在于提供一种涉及机器人语音定位系统在独居老人生活等领域中的应用，特指一种双麦克风阵列的声源定位系统及其方法。
技术背景
声源定位技术在工程中有着重要的作用和应用价值。常见的声源定位方法有基于双耳听觉机理法、基于光学传感定位法、基于麦克风阵列声源定位法等。其中双耳听觉机理法能够同时定位和分离多个声源，但双耳听觉掩蔽强度较差。基于光学传感方式定位法主要分为光纤麦克风传感器定位法和视觉麦克风传感器定位法，用图像处理的方式从视频图像中定位声源位置，但实现过程较复杂，设备费用较昂贵。基于麦克风阵列声源定位法是用若干个麦克风按特定的几何位置组合成阵列来定位声源的位置。但通过一个麦克风阵列只能获取声源与麦克风阵列之间的方位角，无法准确定位声源的位置。鉴于此，本发明提出了一种基于双麦克风阵列的声源定位系统及其方法，达到了精确空间定位的目的。
发明内容
本发明在于提供一种基于双麦克风阵列的声源定位系统及其方法。基于双麦克风阵列的声源定位系统包括：一台PC端、第一树莓派和第二树莓派，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列；所述的PC端通过局域网分别与第一树莓派和第二树莓派连接；第一树莓派通过USB接口控制第一麦克风阵列，第二树莓派通过 USB接口控制第二麦克风阵列；第一树莓派与第一麦克风阵列构成双向通信传播数据，第一树莓派通过USB接口向第一麦克风阵列发送传输数据请求，然后第一麦克风阵列通过USB接口向第一树莓派传输测量到的角度、距离等数据；第二树莓派与第二麦克风阵列构成双向通信传播数据，第二树莓派通过USB接口向第二麦克风阵列发送传输数据请求，然后第二麦克风阵列通过USB接口向第二树莓派传输测量到的角度、距离等数据；第一树莓派通过局域网向第二树莓派发送调用数据请求，然后第二树莓派通过局域网向第一树莓派发送调用的数据；PC端是监控数据端，电脑通过局域网的SSH方式提供局域网中树莓派的IP 地址以及登陆密码并连接树莓派，并对其发送指令或监控数据；第一树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值进行计算，求得声源的位置信息后，通过局域网发送到PC端，以此实现声源定位。
使用双麦克风阵列的声源定位系统进行定位的方法，包括以下步骤：
(1)搭建双麦克风阵列的声源定位系统：搭建双麦克风阵列、用树莓派搭建服务器以及搭建主控平台；
选取合适的麦克风阵列，使用第一树莓派和第二树莓派，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列以及局域网(路由器或者手机WLAN)来实现声源定位系统硬件搭建；对于麦克风阵列，用树莓派作为上位机，在树莓派中写入Linux操作系统，利用树莓派来对麦克风阵列执行参数设置、定位数据获取等操作命令；
使用树莓派来搭建服务器，将第二树莓派作为服务器，第一树莓派作为请求端；将两台树莓派以服务器的形式构建，请求端上的第一树莓派通过局域网向服务器端的第二树莓派发送请求指令，服务器端的第二树莓派接收到请求后将第二麦克风阵列数据通过局域网发送给请求端的第一树莓派，由此完成两台树莓派间的数据传输；
搭建主控平台方法如下：在本声源定位的系统中，使用了第一树莓派和第二树莓派、第一麦克风阵列和第二麦克风阵列和一台PC端；所述的PC端作为监控数据端，通过局域网与第一树莓派和第二树莓派进行连接，并对其发送指令或监控数据；第一树莓派和第二树莓派通过USB连接方式分别与第一麦克风阵列和第二麦克风阵列进行连接，第一树莓派和第二树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值和长度值进行计算，最终求得声源的位置信息，然后通过局域网发送到PC端；
(2)建立双麦克风阵列坐标轴：以第一麦克风阵列所在平面为原点坐标，第一麦克风阵列与第二麦克风阵列之间的摆放距离r固定，从而建立x,y坐标轴；
(3)研究针对不同象限位置的声源定位方法：利用建立的双麦克风阵列坐标轴，测得方位角以及第一麦克风阵列和第二麦克风阵列之间的距离r，计算不同象限位置的声源距第一麦克风阵列的距离r1,推导声源在双麦克风阵列坐标轴内的位置坐标(x0,y0)的计算公式，以声源在双麦克风阵列坐标轴的第一象限为例，推导出的计算公式为：
(4)完成声源定位：服务器接收声源信号，主控平台判断声源象限位置，代入相对应的声源定位的方法公式，从而得到声源距第一麦克风阵列的距离r1以及在双麦克风阵列坐标轴的位置坐标(x0,y0)。
本发明的有益效果如下：
(1)搭建了使用双麦克风阵列的声源定位系统，系统组成简单，方便维护，并提高了经济性；
(2)针对麦克风传感器的排列阵列进行了相关研究，以此为基础提出了使用双麦克风阵列来实现声源定位的方法，这种使用双麦克风阵列的声源定位方法能够提高测量的精确度。
附图说明
图1为本发明提供的声源定位硬件连接及信号处理系统结构图。
图2为本发明提供的利用双麦克风阵列进行声源定位的流程图。
图3为本发明提供的双麦克风阵列摆放的位置参数研究图。
图4为本发明提供的声源在第一象限位置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1，为本发明提供的声源定位硬件信号处理系统结构图。如图1所示，所述的声源定位硬件系统包括一台PC端，第一树莓派和第二树莓派以及第一麦克风阵列和第二麦克风阵列；两台树莓派分别作为两个麦克风阵列的上位机使用，第一树莓派作为主机在系统中发挥作用，向PC端发送声源的位置信息；第二树莓派作为服务器在系统中发挥作用，接收第一树莓派调用数据的请求并向第一树莓派发送数据；
第二树莓派通过USB接口控制第二麦克风阵列，同时将自身作为服务器不断的通过局域网检测请求；第一树莓派通过USB接口控制第一麦克风阵列，同时通过局域网进行寻址找到第二树莓派，并发送请求获取第二树莓派内的第二麦克风阵列测量得到的角度信息；当第二树莓派接收到第一树莓派的请求后，第二麦克风阵列测量得到的角度信息会通过局域网传输到第一树莓派中；第一树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值进行计算，最终求得声源的位置信息，然后通过局域网发送到PC端，以此实现实时的声源定位。
参照图2，为利用双麦克风阵列进行声源定位的流程图，下面将详细阐述利用双麦克风阵列进行声源定位的方法步骤：
(1)搭建双麦克风阵列的声源定位系统：包括选择合适的麦克风阵列、用树莓派搭建服务器以及搭建主控平台；
选取合适的麦克风阵列，使用第一树莓派和第二树莓派，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列以及局域网(路由器或者手机WLAN)来实现声源定位系统硬件搭建；对于麦克风阵列，用树莓派作为上位机，在树莓派中写入Linux操作系统，利用树莓派来对麦克风阵列执行参数设置、定位数据获取等操作命令；
使用树莓派来搭建服务器，将第二树莓派作为服务器，第一树莓派作为请求端；将两台树莓派以服务器的形式构建，请求端上的第一树莓派通过局域网向服务器端的第二树莓派发送请求指令，服务器端的第二树莓派接收到请求后将第二麦克风阵列数据通过局域网发送给请求端的第一树莓派，由此完成两台树莓派间的数据传输；
搭建主控平台方法如下：在本声源定位的系统中，使用了第一树莓派和第二树莓派两台树莓派、第一麦克风阵列和第二麦克风阵列两个麦克风阵列和一台 PC端；所述的PC端作为监控数据端，通过局域网与第一树莓派和第二树莓派进行连接，并对其发送指令或监控数据；第一树莓派和第二树莓派通过USB连接方式分别与第一麦克风阵列和第二麦克风阵列进行连接，第一树莓派和第二树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值和长度值进行计算，最终求得声源的位置信息，然后通过局域网发送到PC端；
(2)参照图3，为本发明提供的双麦克风阵列摆放的位置参数图，图3中 M1、M2为两个麦克风阵列，1表示第一麦克风阵列的拾音范围，2表示第二麦克风阵列的拾音范围，r’表示单个麦克风阵列的阵列半径，图3中以四倍的阵列半径即4r’的距离摆放第一麦克风阵列与第二麦克风阵列，图3中的阴影部分为有效拾音定位范围，选择此种麦克风阵列摆放方式获得的有效拾音定位范围较大；固定第一麦克风阵列与第二麦克风阵列的距离之后，以第一麦克风阵列所在平面为原点坐标，从而建立x,y双麦克风阵列坐标轴；
(3)上述步骤完成之后，首先将声源的定位范围在建立的坐标系中按照第一象限、第二象限、第三象限、第四象限、横坐标轴以及纵坐标轴进行划分，然后分别对声源在每个区域情况进行定位方法研究，图4为本发明提供的声源在第一象限的位置示意图，下面以声源在第一象限为例，进行定位方法的公式推导：
图4中，M1、M2为两个麦克风阵列，Q为声源，(x0，y0)为声源以第一麦克风阵列所在平面为坐标原点的坐标位置，θ1、θ2为两个阵列测量出的声源角度， r为固定值，为四倍的麦克风阵列半径4r’，也是两麦克风阵列中心间距，r1为声源到原点即第一麦克风阵列的距离，要求求取r1的值以及Q点坐标(x0，y0)；
r1可利用正弦定理求得：即
移项得
声源坐标(x0，y0)是由三角关系求得：即x0＝cos(θ1)×r1， y0＝sin(θ1)×r1；
由于图示是在第一象限讨论，因此横纵坐标均为正值，若声源在其他象限则应相应的添加正负号以及调整相对应的角度关系，调整之后同样可以通过这种方法计算获得声源的位置坐标(x0，y0)和到原点的距离r1；
经推导，第二象限计算公式为：
x0＝-cos(180-θ1)×r1， y0＝sin(180-θ1)×r1；
第三象限计算公式为：
x0＝-cos(θ1-180)×r1， y0＝-sin(θ1-180)×r1；
第四象限计算公式为：
x0＝cos(360-θ1)×r1， y0＝-sin(360-θ1)×r1；
(4)声源定位硬件系统中的服务器接收声源信号，主控平台判断声源象限位置后代入相对应象限的声源定位的算法公式，从而得到声源在双麦克风阵列坐标轴内的距离、位置等信息，完成了声源定位。
声源定位与我们日常生活密切相关，良好的声源定位系统可以帮助我们快速定位声音来源，判断声源距离。声源定位系统中的机器人语音定位系统在独居老人生活、医疗卫生等领域的潜力很大，例如在独居老人生活中，机器人可以根据老人的语音来判断老人的位置，从而定位老人的位置进而快速到老人身边，帮助老人完成相应的服务工作，保证老人的基本生活和安全；声源定位系统同样也可以提高医疗卫生等领域的工作效率。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.基于双麦克风阵列的声源定位系统，其特征在于：包括一台PC端、第一树莓派和第二树莓派，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列的系统；所述的PC端通过局域网分别与第一树莓派和第二树莓派连接；第一树莓派通过USB接口控制第一麦克风阵列，第二树莓派通过USB接口控制第二麦克风阵列；第一树莓派与第一麦克风阵列构成双向通信传播数据，第一树莓派通过USB接口向第一麦克风阵列发送传输数据请求，然后第一麦克风阵列通过USB接口向第一树莓派传输测量到的角度、距离等数据；第二树莓派与第二麦克风阵列构成双向通信传播数据，第二树莓派通过USB接口向第二麦克风阵列发送传输数据请求，然后第二麦克风阵列通过USB接口向第二树莓派传输测量到的角度、距离等数据；第一树莓派通过局域网向第二树莓派发送调用数据请求，然后第二树莓派通过局域网向第一树莓派发送调用的数据；PC端是监控数据端，电脑通过局域网的SSH方式提供局域网中树莓派的IP地址以及登陆密码并连接树莓派，并对其发送指令或监控数据；第一树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值进行计算，求得声源的位置信息后，通过局域网发送到PC端，以此实现声源定位。
2.使用双麦克风阵列的声源定位系统进行定位的方法，其特征在于：
(1)搭建双麦克风阵列的声源定位系统：搭建双麦克风阵列、用树莓派搭建服务器以及搭建主控平台；
选取合适的麦克风阵列，使用第一树莓派和第二树莓派，第一麦克风阵列和第二麦克风阵列以及局域网(路由器或者手机WLAN)来实现声源定位系统硬件搭建；对于麦克风阵列，用树莓派作为上位机，在树莓派中写入Linux操作系统，利用树莓派来对麦克风阵列执行参数设置、定位数据获取等操作命令；
使用树莓派来搭建服务器，将第二树莓派作为服务器，第一树莓派作为请求端；将两台树莓派以服务器的形式构建，请求端上的第一树莓派通过局域网向服务器端的第二树莓派发送请求指令，服务器端的第二树莓派接收到请求后将第二麦克风阵列数据通过局域网发送给请求端的第一树莓派，由此完成两台树莓派间的数据传输；
搭建主控平台方法如下：在本声源定位的系统中，使用了第一树莓派和第二树莓派、第一麦克风阵列和第二麦克风阵列和一台PC端；所述的PC端作为监控数据端，通过局域网与第一树莓派和第二树莓派进行连接，并对其发送指令或监控数据；第一树莓派和第二树莓派通过USB连接方式分别与第一麦克风阵列和第二麦克风阵列进行连接，第一树莓派和第二树莓派将第一麦克风阵列与第二麦克风阵列测量得到的角度值和长度值进行计算，最终求得声源的位置信息，然后通过局域网发送到PC端；
(2)建立双麦克风阵列坐标轴：以第一麦克风阵列所在平面为原点坐标，第一麦克风阵列与第二麦克风阵列之间的摆放距离r固定，从而建立x,y坐标轴；
(3)研究针对不同象限位置的声源定位方法：利用建立的双麦克风阵列坐标轴，测得方位角以及第一麦克风阵列和第二麦克风阵列之间的距离r，计算不同象限位置的声源距第一麦克风阵列的距离r1,推导声源在双麦克风阵列坐标轴内的位置坐标(x0,y0)的计算公式，以声源在双麦克风阵列坐标轴的第一象限为例，推导出的计算公式为：
(4)完成声源定位：服务器接收声源信号，主控平台判断声源象限位置，代入相对应的声源定位的方法公式，从而得到声源距第一麦克风阵列的距离r1以及在双麦克风阵列坐标轴的位置坐标(x0,y0)。
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