CN114355291A - 基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统。所述设备包括声音微传感器，微处理器，射频收发器，微系统封装体，微系统封装体用于为声音微传感器、微处理器和射频收发器提供机械连接和电气连接，其中：声音微传感器用于检测目标声源的声音信号；微处理器用于确定声音信号的声音到达时间；在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制射频收发器向所属声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息，定位消息用于指示声源定位计算设备根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。本方案的声源定位设备可用于在数据传输带宽条件有限的场景下进行声源定位。

Description

基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及声源定位技术领域，特别是涉及一种基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统。

背景技术

声源定位技术是指利用声音传感器阵列获取声波信号，进行分析计算后确定声源位置和坐标的技术。在军事领域很早就出现了其相关应用，如早期的用于侦测潜艇的声呐仪以及火炮定位装置；二十世纪八十年代以来，声源定位技术开始被用于语音信号处理等民用领域，如智能机器人、音视频会议系统和助听装置等具有声源定位功能的产品。

相关技术中，具有声源定位功能的产品多采用麦克风阵列作为声音信号采集装置，麦克风阵列中的每一个麦克风都可以输出一路声音信号，需将所有麦克风采集到的原始声音信号统一传输给处理系统进行处理，处理系统通过声源定位算法计算得到声源位置。

然而，上述基于麦克风阵列进行声源定位的方法，需将采集到的原始声音信号传输给处理系统，传输的数据量较大，对数据传输的带宽要求高，在资源约束条件下的应用受到较大限制。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种对数据传输带宽要求较低的基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统。

一种基于微系统技术的声源定位设备，所述设备包括：声音微传感器，微处理器，射频收发器，微系统封装体，所述微系统封装体用于为所述声音微传感器、所述微处理器和所述射频收发器提供机械连接和电气连接，其中：

所述声音微传感器，用于检测目标声源的声音信号；

所述微处理器，用于确定所述声音信号的声音到达时间；在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器向所属声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述微处理器，还用于：

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器接收所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述微处理器，还用于：

在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器接收所述声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据所述时间同步信号调节本地时间，使所述本地时间与所述声源定位计算设备的时间同步；

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器向所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，所述时间同步信号用于指示所述其他声源定位设备进行时间调节，使所述其他声源定位设备的时间与所述声源定位计算设备的时间同步。

在其中一个实施例中，所述微处理器，还用于确定所述声音信号的幅值；若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号。

在其中一个实施例中，所述微处理器还用于确定所述声音信号的声音特征信息；所述声音特征信息至少包括声音频率、采样率、过零率、平均声音幅值中的一种或多种；所述定位信息还包含所述声音特征信息。

在其中一个实施例中，所述设备还包括供电单元，所述供电单元用于为所述设备提供电能。

在其中一个实施例中，所述设备还包括显示单元，所述显示单元用于显示包含所述目标声源的位置坐标的显示信息。

在其中一个实施例中，所述显示信息还包括所述声音到达时间、所述声源定位设备的位置坐标中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述设备还包括微存储器，所述微存储器用于存储所述声源定位设备获取和/或计算得到的数据信息，所述数据信息包括所述声音信号、所述声音到达时间、所述声源定位设备的位置坐标、所述目标声源的位置坐标中的一种或多种。

一种基于微系统技术的声源定位方法，所述方法应用于声源定位系统中的声源定位设备，所述方法包括：

检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，接收所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；

根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间之前，还包括：

在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，接收所述声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据所述时间同步信号调节本地时间，使所述本地时间与所述声源定位计算设备的时间同步；

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，所述时间同步信号用于指示所述其他声源定位设备进行时间调节，使所述其他声源定位设备的时间与所述声源定位计算设备的时间同步。

在其中一个实施例中，所述检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间，包括：

检测声音信号，并确定所述声音信号的幅值；

若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间。

一种基于微系统技术的声源定位装置，所述装置包括：

检测模块，用于检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

数据收发模块，用于在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述数据收发模块，还用于在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，接收所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；

所述装置还包括：

计算模块，用于根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

时间同步模块，用于在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，接收所述声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据所述时间同步信号调节本地时间，使所述本地时间与所述声源定位计算设备的时间同步；在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，所述时间同步信号用于指示所述其他声源定位设备进行时间调节，使所述其他声源定位设备的时间与所述声源定位计算设备的时间同步。

在其中一个实施例中，所述检测模块，还用于检测声音信号，并确定所述声音信号的幅值；若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间。

一种基于微系统技术的声源定位系统，所述声源定位系统包含至少两个上述声源定位设备，所述至少两个声源定位设备中包含声源定位计算设备；其中：

所述声源定位设备，用于检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

所述声源定位设备中除所述声源定位计算设备以外的其他声源定位设备，还用于向所述声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息；

所述声源定位计算设备，还用于根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

在其中一个实施例中，所述其他声源定位设备，还用于接收所述声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据所述时间同步信号调节本地时间，使所述本地时间与所述声源定位计算设备的时间同步；

所述声源定位计算设备，还用于向所述其他声源定位设备发送时间同步信号，所述时间同步信号用于指示所述其他声源定位设备进行时间调节，使所述其他声源定位设备的时间与所述声源定位计算设备的时间同步。

在其中一个实施例中，所述声源定位设备，还用于检测声音信号，并确定所述声音信号的幅值；若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间。

上述基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统，包括声音微传感器，微处理器，射频收发器，微系统封装体，微系统封装体用于为声音微传感器、微处理器和射频收发器提供机械连接和电气连接，其中：声音微传感器，用于检测目标声源的声音信号；微处理器，用于确定声音信号的声音到达时间；在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制射频收发器向所属声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息，定位消息用于指示声源定位计算设备根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。本方案中，声源定位设备对检测到的声音信号进行本地处理，得到声音到达时间，并将包含声音到达时间的定位信息传输给声源定位计算设备用以计算目标声源的位置坐标，相比相关技术中需传输数据量较大的原始声音信号，本方案的声源定位设备需要传输的数据量大幅减小，显著降低了对数据传输带宽的要求，可用于在数据传输带宽条件有限的场景下的声源定位应用。

附图说明

图1为一个实施例中基于微系统技术的声源定位设备的应用环境图；

图2为另一个实施例中基于微系统技术的声源定位设备的应用环境图；

图3为一个实施例中基于微系统技术的声源定位设备的结构示意图；

图4为另一个实施例中基于微系统技术的声源定位设备的结构示意图；

图5为另一个实施例中基于微系统技术的声源定位设备的结构示意图；

图6为一个实施例中基于微系统技术的声源定位方法的流程示意图；

图7为一个实施例中基于微系统技术的声源定位装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

首先，在具体介绍本申请实施例的技术方案之前，先对本申请实施例基于的技术背景或者技术演进脉络进行介绍。随着科技的发展，声源定位技术的应用场景越来越多元化，如智能机器人、音视频会议系统和助听装置等日常工作生活中的应用，通过声音定位检测机械设备故障发生的位置、特殊地区如边境线的声音监控及定位等场景也有声源定位需求，然而相关技术中的基于麦克风阵列的声源定位技术，需将采集到的原始声音信号传输给处理系统进行处理，数据传输量大，对数据传输的带宽要求高，无法应用于网络带宽有限的场景。基于该背景，申请人通过长期的研发以及实验验证，提出本申请的基于微系统技术的声源定位设备、方法、装置及系统，采用本方案进行声源定位时，需要传输的数据量大幅减小，显著降低了对数据传输带宽的要求，可用于在数据传输带宽条件有限的场景下的声源定位应用。另外，需要说明的是，本申请技术问题的发现以及下述实施例介绍的技术方案，申请人均付出了大量的创造性劳动。

本申请提供的基于微系统技术的声源定位设备，可以应用于声源定位系统，声源定位系统包含至少两个以上该声源定位设备，通过该声源定位系统，可以在网络带宽有限的场景中实现对目标声源的位置坐标的确定。在一个应用场景中，如图1所示，通过声源定位设备101和声源定位设备102组成的声源定位系统，来确定处于两个声源定位设备连线上的目标声源103的位置坐标。在另一个应用场景中，如图2所示，将4个声源定位设备分别置于方形区域的四个顶点，组成声源定位系统，通过该声源定位系统来确定处于方形区域内的目标声源的位置坐标。

为了便于说明，本申请实施例首先对基于微系统技术的声源定位设备进行说明，如图3所示，提供了一种基于微系统技术的声源定位设备的结构示意图，该声源定位设备包括声音微传感器301、微处理器302、射频收发器303和微系统封装体304，其中，微系统封装体304用于为声音微传感器301、微处理器302和射频收发器303提供机械连接和电气连接；声音微传感器301用于检测目标声源的声音信号；微处理器302用于确定声音信号的声音到达时间，在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制射频收发器303向所属声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息，定位消息用于指示声源定位计算设备根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在实施中，声源定位设备可以至少包括组件声音微传感器301、微处理器302、射频收发器303和微系统封装体304，声音微传感器301与微处理器302电连接，微处理器302和射频收发器303电连接，微系统封装体304的作用是实现声源定位设备各组件的机械连接和电气连接，可选的，微系统封装体304还可提供该设备与外界进行交互的机械接口和电气接口。

声音微传感器301可以由微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)声音敏感元件和信号处理电路组成。当声音微传感器301接收到目标声源的声音信号时，MEMS声音敏感元件的结构发生变化，输出反映声音信号特征的原始电压波形，经信号处理电路进行放大、滤波、运算后，将原始声音信号转换为声音数字信号，并将声音数字信号传输给微处理器302。其中的MEMS声音敏感元件可以是压电式、电容式或者动圈式，信号处理电路包括但不限于直流/交流电桥检测、放大、偏置、滤波、差分转单端、阻抗匹配等功能，且这些功能的参数可以通过更换元器件或者外部编程进行调整。声音微传感器的结构可以是多样的，本实施例对其不做限定。

微处理器302接收到声音微传感器301传输的声音数字信号后，可以根据其本地时钟功能，确定声音信号的声音到达时间。该声源定位设备所属的声源定位系统中，可以约定一个声源定位设备作为声源定位计算设备，对于声源定位系统中除声源定位计算设备以外的声源定位设备，该设备的微处理器302将声音信号到达本设备的声音到达时间传输给射频收发器303，并控制射频收发器303将包含声音到达时间的定位信息发送给约定的声源定位计算设备，声源定位计算设备接收到定位信息后，可以根据声音信号到达声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间，采用到达时间差(TDOA，Time Difference OfArrival)算法计算目标声源的位置坐标。其中微处理器302的类型包括但不限于微型中央处理器、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，射频收发器303不限于某一类射频收发元件或电路，可以运行在单工或半双工或双工模式，也可以运行在不同频段，并能够通过改变射频电路的组件参数或结构进行必要的频段切换，本实施例对其类型不做限定。

上述声源定位设备应用于声源定位系统对目标声源进行定位时，其声音微传感器检测到目标声源的声音信号后，通过微处理器可以确定声音信号到达本设备的声音到达时间，然后微处理器控制射频收发器将声音到达时间传输给该声源定位系统中的声源定位计算设备，声源定位计算设备可以根据声音信号到达该声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间，采用到达时间差算法即可计算得到目标声源的位置坐标。相比相关技术中麦克风阵列采集到声音信号后需将数据量较大的原始声音信号传输给处理系统进行处理，本方案的声源定位设备仅需将数据量较小的包含声音到达时间的定位信息传输给声源定位计算设备，需要传输的数据量大幅减小，显著降低了对数据传输带宽的要求，可用于在数据传输带宽条件有限的场景下的声源定位应用。此外，由于相关技术中麦克风阵列声源定位系统架构下的声音传感、处理、通信功能通常是分立的，系统集成度低，导致整个声源定位系统体积过大、能耗高，麦克风阵列的部署灵活性也较低，而本方案的声源定位设备采用智能微系统技术，集成了声音传感、处理和通信，集成度高，相比传统的声源定位系统体积大幅减小，同时能耗更低、部署更灵活、隐蔽性强、定位计算实时性强、重量更小，能够应用于越来越多的苛刻边界条件约束场景，包括对体积、重量、算力、带宽、能源受限的场景，如边境要地、精密仪器故障位置的声源定位。

在一个实施例中，在声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，微处理器还用于控制射频收发器接收声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在实施中，该声源定位设备还可以作为声源定位系统中的声源定位计算设备。当作为声源定位计算设备时，其微处理器控制射频收发器接收声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息，然后，采用TDOA算法，根据各声源定位设备(包括该设备本身)确定出的声音到达时间，计算目标声源的位置坐标。具体地，微处理器先选取其中一个声音到达时间作为时间参考基准，比如选取声源定位计算设备的声音到达时间作为时间参考基准，或者以最早的声音到达时间作为时间参考基准，然后，计算其它声音到达时间相对该时间参考基准的时间差，得到相对时延值，进而根据各相对时延值及预先标定好的各声源定位设备的位置坐标，计算得出目标声源的位置坐标。采用的TDOA算法包括但不限于几何法、最大似然估计法、最小二乘估计法，本实施例对其不做限定。

本实施例提供的声源定位设备，既可作为将声音到达时间发送给声源定位计算设备的声源定位设备，也可作为接收声音到达时间信号并计算位置坐标的声源定位计算设备，可以根据实际应用场景进行灵活调配，并且可以通过对微处理器进行外部编程，运行自定义智能算法，以适应不同场景的需要，系统开放性好。

在一个实施例中，微处理器还用于在该声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制射频收发器接收声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据时间同步信号调节本地时间，使本地时间与声源定位计算设备的时间同步；在该声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，控制射频收发器向声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，时间同步信号用于指示其他声源定位设备进行时间调节，使其他声源定位设备的时间与声源定位计算设备的时间同步。

在实施中，当该声源定位设备非声源定位计算设备时，微处理器控制射频收发器接收该设备所属的声源定位系统中的声源定位计算设备发送的时间同步信号，微处理器根据时间同步信号，调节本地时钟的时间，使本地时间与声源定位计算设备的时间同步；当该声源定位设备作为声源定位设备时，微处理器控制射频收发器向该设备所属的声源定位系统中的其他声源定位设备广播时间同步信号，使其他声源定位设备接收到时间同步信号后调节时间，以实现声源定位系统中的各声源定位设备的时间同步。

由于将本方案的声源定位设备应用于声源定位系统对目标声源进行定位时，是根据各声源定位设备确定的声音到达时间，采用TDOA算法进行计算，则声音到达时间之间的差值的准确性对计算结果非常重要，故在声源定位系统开始工作前，需对各声源定位设备的本地时钟进行时间校对。同时，由于本方案是通过时间差进行计算，以其中一个声源定位设备的时间作为基准即可，无需先获取精确的绝对时间再进行校对。基于此，本实施例中，提供了一种具有时间同步功能的声源定位设备，该声源定位设备的时间同步校对更方便快捷。此外，还可以设置以预设周期或其他预设触发条件自动启动时间同步功能，使声源定位系统中的各声源定位设备可以自动组网，同步时间，在无人值守或需长时间持续运行的应用场景中，利用该设备进行声源定位的准确性更有保障。

在一个实施例中，声源定位设备的微处理器还用于确定声音信号的幅值；若声音信号的幅值大于预设阈值，则确定声音信号为目标声源的声音信号。

在实施中，声源定位设备的声音微传感器对外部的声音信号进行持续采集，对于声音微传感器采集到的声音信号，微处理器可先对该声音信号进行幅值检测，若该声音信号的幅值大于预设阈值，则采集一段预设时长的声音信号，并确定该预设时长内的声音信号为目标声源的声音信号，然后，根据该预设时长内的声音信号确定声音到达时间，一般以该预设时长内的声音信号的起点的时间作为声音到达时间；若该声音信号的幅值小于预设阈值，则不对该声音信号进行后续处理。

声源定位设备在持续工作时可能会采集到环境音等非目标声源发出的干扰信号，一般干扰信号的声音幅值较小，当采集到目标声源的声音信号时，其声音信号的幅值会突然升高，幅值突然升高的时间点即为目标声源的声音到达时间。采用阈值检测法，可以将声音信号的幅值超过预设阈值的起始时间点作为声音到达时间，该时间点接近实际声音到达时间，定位计算结果的精确度更高。此外，还可避免对采集到的低于预设幅值的干扰信号进行无效的定位计算，减少资源浪费。

在一个实施例中，声源定位设备的微处理器还用于确定声音信号的声音特征信息。

其中，声音特征信息至少包括声音频率、采样率、过零率、平均声音幅值中的一种或多种；相应的，定位信息还包含该声音特征信息。

在实施中，声源定位设备采集到目标声源的声音信号后，根据本地时钟确定声音信号的声音到达时间，同时，还可计算出声音信号的声音频率、采样率、过零率和平均声音幅值等声音特征信息。当该声源定位设备非声源定位计算设备时，将声音到达时间和声音特征信息作为定位信息发送给声源定位计算设备。声源定位计算设备根据声音特征信息，可以判断对应的声源定位设备是否接收到了有效的声音信号。此外，声源定位计算设备还可以将各声源定位设备对应的声音特征信息进行比对，以判断各声源定位设备接收到的声音信号是否为同一声源发出的声音信号。

例如，可将声源定位计算设备采集到的声音信号的声音特征信息作为判断基准，也可将声音到达时间最短的声源定位设备采集到的声音信号的声音特征信息作为基准声音特征信息，然后将其它声源定位设备对应的声音特征信息与基准声音特征信息进行比对，对于与基准声音特征信息差别较大的声音特征信息，其对应的声音信号的声音到达时间可不参与后续定位计算，以此可提高声源定位结果的准确性。若在一定时间内连续采集到多个声源的声音信号，还可将声源定位计算设备采集到的多个声源的声音特征信息分别设定为基准，通过将其它声源定位设备发送的声音特征信息与基准进行一一比对，可筛选出同一声源的声音信号，以提高在连续采集到多个声源的声音信号的情况下的定位结果的准确性。

在一个实施例中，如图4所示，声源定位设备还包括供电单元305，供电单元305用于为该设备提供电能。

本实施例的声源定位设备还可集成供电单元305，无需外接能源，实现自供能，集成度更高，使用场景更灵活。供电单元305为该设备的各组件提供稳定的驱动电压或电流，其供电电压和供电模式可以通过编程或者调整供电单元的电路元件参数进行改变。供电单元305可以包括储能电池，还可以包括将环境中的太阳能、机械能或其它能源的能量进行转换的能量转换装置，本实施例不对其进行限定。

在一个实施例中，声源定位设备还包括显示单元，显示单元用于显示包含目标声源的位置坐标的显示信息。

本实施例的声源定位设备还设置了显示单元，对信息进行可视化显示，可用于显示计算得到的目标声源的位置坐标信息。进一步的，显示单元还可用于显示各声源定位设备确定的声音到达时间、各声音到达时间的时间差(相对时延值)、各声源定位设备的位置坐标等信息。通过可视化显示，便于用户查看和进行交互操作。显示单元可以是显示屏，显示信息的展现形式可以是图形、表格或文字，本实施例不对其进行限定。

在一个实施例中，如图5所示，声源定位设备还包括微存储器306，微存储器306用于存储上述处理过程中获取或产生的数据，如声音信号、声音到达时间、各声音到达时间的时间差(相对时延值)、声音特征信息、声源定位设备的位置坐标、目标声源的位置坐标的数据信息等。

本实施例的声源定位设备还集成了微存储器306，用于对原始声音信号、数字化的声音信号、声音到达时间、各声音到达时间的时间差(相对时延值)、声音特征信息、声源定位设备的位置坐标、目标声源的位置坐标等原始数据、中间计算结果数据和最终计算结果数据进行存储，方便用户查看和调用历史数据，并能跟踪声源位置变化的情况，同时还起到数据备份的作用，防止在数据传输过程中可能出现的数据缺失。微存储器306的数据存储形式可以是开源数据库、电子表格文件、文本文件或其它形式，本实施例对其不做限定。

本申请还提供一种基于微系统技术的声源定位方法，该方法应用于声源定位系统中的上述声源定位设备。如图6所示，该方法包括以下步骤：

步骤601，检测目标声源的声音信号，并确定声音信号的声音到达时间。

在实施中，根据声源定位应用场景的需求，一定数量的声源定位设备被置于相应位置，组成声源定位系统。在声源定位系统开始声源定位工作时，每个声源定位设备通过声音微传感器对目标声源的声音信号进行采集，并根据本地时钟功能确定该声音信号到达该声源定位设备的声音到达时间。

步骤602，在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息，定位消息用于指示声源定位计算设备根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在实施中，声源定位系统中的各声源定位设备可先进行身份配置，将其中一个声源定位设备配置为声源定位计算设备，各设备根据自身的身份信息执行相应的处理过程。当身份信息非声源定位计算设备时，该设备将本设备的声音到达时间发送给的声源定位计算设备，使声源定位计算设备根据各声源定位设备确定的声音到达时间，采用TDOA算法计算目标声源的位置坐标。

本方案的声源定位方法应用于声源定位设备时，声源定位设备先通过本地处理得到声音信号的声音到达时间，然后将数据量较小的声音到达时间作为定位信息传输给声源定位计算设备进行计算，即可得到目标声源的位置坐标。相比相关技术中麦克风阵列需将数据量较大的原始声音信号传输给处理系统进行处理，本方案需要传输的数据量大幅减小，显著降低了对数据传输带宽的要求，可用于在数据传输带宽条件有限的场景下的声源定位应用。

在一个实施例中，该声源定位方法还包括：在声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，接收声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在实施中，当声源定位设备的身份信息为声源定位计算设备时，该设备接收声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息，然后，采用TDOA算法，根据各声源定位设备(包括该设备本身)确定的声音到达时间，计算目标声源的位置坐标。具体地，声源定位计算设备先选取其中一个声音到达时间作为时间参考基准，比如选取声源定位计算设备的声音到达时间作为时间参考基准，或者以最早的声音到达时间作为时间参考基准，然后，计算其它声音到达时间相对该时间参考基准的时间差，得到相对时延值，进而根据各相对时延值及预先标定好的各声源定位设备的位置坐标，计算得出目标声源的位置坐标。采用的TDOA算法包括但不限于几何法、最大似然估计法、最小二乘估计法，本实施例对其不做限定。

在一个实施例中，步骤601之前，还包括如下步骤：在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，接收声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据时间同步信号调节本地时间，使本地时间与声源定位计算设备的时间同步；在声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，向声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，时间同步信号用于指示其他声源定位设备进行时间调节，使其他声源定位设备的时间与声源定位计算设备的时间同步。

本实施例的声源定位方法还包括时间同步步骤，时间校对方便、快捷，定位计算结果准确性更高。可选的，还可以设置以预设周期或其他预设触发条件自动启动时间同步步骤，可适用于在无人值守或需长时间持续运行的应用场景，定位结果的准确性更有保障。

在一个实施例中，步骤601具体包括如下步骤：检测声音信号，并确定所述声音信号的幅值；若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间。

本实施例的声源定位方法，采用阈值检测法，可以将声音信号的幅值超过预设阈值的起始时间点作为声音到达时间，该时间点接近实际声音到达时间，定位计算结果的精确度更高。此外，还可避免对采集到的低于预设幅值的干扰信号进行无效的定位计算，减少资源浪费。

本申请还提供了两个利用声源定位设备进行声源定位的具体示例。

示例1，如图1所示，将声源定位设备101和声源定位设备102置于室内同一平面，间隔距离为l，本示例中l＝1.5m，目标声源103位于两个声源定位设备的连线上。将声源定位设备101的位置坐标设为原点，设目标声源103的位置坐标为(x_s，0)。本示例将演示通过前述两个声源定位设备来计算目标声源103的位置坐标x_s。为了便于演示声源定位设备的工作原理以及验证定位结果的准确性，本示例中我们将声源定位设备置于安静的室内，仅接收到目标声源的声音信号。

本示例中，将声源定位设备102配置为声源定位计算设备。开始声源定位工作时，各声源定位设备检测目标声源103的声音信号，并根据本地时钟功能确定声音信号从目标声源103传播到本设备时的声音到达时间。本示例中，声源定位设备101的声音到达时间为T₀，声源定位设备102的声音到达时间为T₁。

声源定位设备102根据声音到达时间T₀和T₁，以声源定位设备101的声音到达时间为时间参考基准，计算声音信号到达两个声源定位设备的时间差Δt₁₀，公示表示为：

Δt₁₀＝T₁-T₀

然后通过以下公式可计算得到目标声源103的位置坐标x_s：

x_s＝(l-vΔt₁₀)/2

其中，v为声速；Δt₁₀为声音信号到达两个声源定位设备的时间差，以声源定位设备101的声音到达时间为时间参考基准；l为两个声源定位设备的间隔距离。

上述公式的推导如下所示：

假设目标声源103的声音信号从目标声源103传播到声源定位设备101所需的时间为t₀，传播到声源定位设备102所需的时间为t₁，则声音信号到达两个声源定位设备的时间差Δt₁₀还可用公式表示为：

Δt₁₀＝t₁-t₀

通过声速和声音传播所需的时间，可计算目标声源103与声源定位设备101之间的距离d₀和与声源定位设备102之间的距离d₁，用公示表示为：

d₀＝vt₀

d₁＝vt₁

将公式Δt₁₀＝t₁-t₀两边同时乘以声速v，得到：

vΔt₁₀＝vt₁-vt₀＝d₁-d₀

本示例中，可知d₀＝x_s，则d₁＝l-x_s，替换上式的d₀和d₁，得到：

vΔt₁₀＝(l-x_s)-x_s＝l-2x_s

即得到计算公式：

x_s＝(l-vΔt₁₀)/2

在本示例中，分别使目标声源103位于x₁＝0.25m，x₂＝0.5m，x₃＝0.75m处，以金属撞击声为声源，在每个位置进行10次定位实验，结果如表1所示。

表1示例1的声源定位实验结果

根据表1的实验结果可计算得到，目标声源103位于x₁＝0.25m处时，定位均方根误差RMS(x₁)＝0.0528m；目标声源103位于x₂＝0.5m处时，定位均方根误差RMS(x₂)＝0.0257m；目标声源103位于x₃＝0.75m处时，定位均方根误差RMS(x₃)＝0.0456m。由此可以得出，在本示例中，本发明成功实现了对一维直线上目标声源的定位。

示例2，如图2所示，将声源定位设备201、202、203和204分别置于一块长和宽为1.5m×1.5m的方形平面区域的四个顶点，分别编号为0，1，2，3，组成声源定位系统，可通过该声源定位系统来确定处于方形平面区域内的目标声源205的位置坐标。为了便于演示声源定位设备的工作原理以及验证定位结果的准确性，本示例中我们将声源定位设备置于安静的室内，仅接收到目标声源的声音信号。

本示例中，奖声源定位设备201配置为声源定位计算设备。开始声源定位工作时，各声源定位设备检测目标声源205的声音信号，并确定声音信号从目标声源205传播到本设备时的声音到达时间。声源定位设备202、203、204分别将本设备的声音到达时间发送给声源定位设备201，声源定位设备201根据各声音到达时间和各声源定位设备的位置坐标，即可计算得到目标声源205的位置坐标。

下面具体说明本示例的计算原理。

本示例中，以声源定位设备201为参考基准，将其位置坐标设为原点，且以声源定位设备201的声音到达时间为时间参考基准，计算其他设备的声音到达时间与该时间参考基准之间的时间差，即得到相对时延值。

设第i号声源定位设备的坐标r_i为：

r_i＝(x_i，y_i)

其中，i在本示例中取值为1，2，3。

假设目标声源205的声音信号传播到四个声源定位设备所需的时间分别为t₀，t₁，t₂，t₃，以t₀为时间参考基准，可计算得到时间差：

Δt₁₀＝t₁-t₀

Δt₂₀＝t₂-t₀

Δt₃₀＝t₃-t₀

设原点到目标声源205的向量为

原点到第i号声源定位设备的向量为

目标声源205到第i号声源定位设备的距离与目标声源205到声源定位设备201(参考基准)的距离之间的距离差为d_i0，可得到：

其中，令

代入上式得

(R_s+d_i0)²＝R_i ²-2m_i ^Ts+R_s ²

此处可以采取最小二乘的方法估计进行变换，并令

ε＝δ-2R_sd-2Ms

上式中，各参数的表达式为

进一步地，采用最小二乘法计算目标声源205的位置，此处略去推导过程，只给出结果表达式。声源的估计位置如下：

上式中，各个参数的表达式如下：

S_w ^*＝(M^TM)^-1M^T

a＝4-4d^TS_w ^*TS_w ^*d

b＝4d^TS_w ^*TS_w ^*δ

c＝-δ^TS_w ^*TS_w ^*δ

根据最小二乘法的计算过程可以看出，计算声源位置需要的参数为：各个声源定位设备的坐标、原点到各个声源定位设备的距离以及目标声源205到第i号声源定位设备的距离与目标声源205到声源定位设备201(参考基准)的距离之间的距离差。其中，各个声源定位设备的坐标可于开始定位工作前标定好，原点到各个声源定位设备的距离也可以通过各声源定位设备的坐标计算得出，而距离差可以通过声音信号到达各声源定位设备的时间差进行计算，即：

d₁₀＝vΔt₁₀

d₂₀＝vΔt₂₀

d₃₀＝vΔt₃₀

其中，v为声速；Δt₁₀、Δt₂₀、Δt₃₀分别为目标声源205的声音信号到达声源定位设备202、203、204的声音到达时间分别与声源定位设备201的声音到达时间(时间参考基准)之间的时间差，也可称为相对时延值；d₁₀、d₂₀、d₃₀分别为目标声源205到声源定位设备202、203、204的距离分别与目标声源205到声源定位设备201(参考基准)的距离之间的距离差。

由此可知，只需要测量得到声音信号到达各声源定位设备的相对时延值，就可以计算得到目标声源的位置坐标。

在本示例中，分别将目标声源205置于(0.5m，0.5m)，(1.0m，0.5m)，(0.5m，1.0m)，(1.0m，1.0m)四个测试点位置，以金属撞击声为声源，在每个测试点进行10次实验，结果如表2所示。

表2示例2的声源定位实验结果

根据表2的结果进行计算可知，对(0.5m，0.5m)的定位均方根误差为RMS(r₁)＝0.053m；对(1.0m，0.5m)的定位均方根误差为RMS(r₂)＝0.050m；对(1.0m，0.5m)的定位均方根误差为RMS(r₃)＝0.032m；对(1.0m，1.0m)的定位均方根误差为RMS(r₄)＝0.075m。可以得出结论，在本示例中，本发明实现了对二维平面内的声源的定位，定位误差较小，满足使用要求。

本申请还提供一种基于微系统技术的声源定位系统，该声源定位系统包含至少两个上述声源定位设备。其中，声源定位设备，用于检测目标声源的声音信号，并确定声音信号的声音到达时间；声源定位设备中除声源定位计算设备以外的其他声源定位设备，还用于向声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息；声源定位计算设备，还用于根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在一个实施例中，声源定位系统中的其他声源定位设备，还用于接收声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据时间同步信号调节本地时间，使本地时间与声源定位计算设备的时间同步；声源定位系统中的声源定位计算设备，还用于向其他声源定位设备发送时间同步信号，时间同步信号用于指示其他声源定位设备进行时间调节，使其他声源定位设备的时间与声源定位计算设备的时间同步。

在一个实施例中，声源定位系统中的声源定位设备，还用于检测声音信号，并确定声音信号的幅值；若声音信号的幅值大于预设阈值，则确定声音信号为目标声源的声音信号，并确定声音信号的声音到达时间。

本申请还提供一种基于微系统技术的声源定位装置700，如图7所示，该声源定位装置包括：

检测模块701，用于检测目标声源的声音信号，并确定声音信号的声音到达时间。

数据收发模块702，用于在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含声音到达时间的定位消息，定位消息用于指示声源定位计算设备根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

在一个实施例中，该声源定位装置还包括：

计算模块，用于根据声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算目标声源的位置坐标。

并且，数据收发模块702还用于在声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，接收声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息。

在一个实施例中，该声源定位装置还包括：

时间同步模块，用于在声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，接收声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据时间同步信号调节本地时间，使本地时间与声源定位计算设备的时间同步；在声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，向声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，时间同步信号用于指示其他声源定位设备进行时间调节，使其他声源定位设备的时间与声源定位计算设备的时间同步。

在一个实施例中，检测模块701还用于检测声音信号，并确定声音信号的幅值；若声音信号的幅值大于预设阈值，则确定声音信号为目标声源的声音信号，并确定声音信号的声音到达时间。

关于声源定位装置的具体限定可以参见上文中对于声源定位设备和声源定位方法的限定，在此不再赘述。上述声源定位装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各声源定位方法实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于微系统技术的声源定位设备，其特征在于，所述设备包括：声音微传感器，微处理器，射频收发器，微系统封装体，所述微系统封装体用于为所述声音微传感器、所述微处理器和所述射频收发器提供机械连接和电气连接，其中：

所述声音微传感器，用于检测目标声源的声音信号；

所述微处理器，用于确定所述声音信号的声音到达时间；在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器向所属声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微处理器，还用于：

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器接收所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微处理器，还用于：

在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器接收所述声源定位计算设备发送的时间同步信号，并根据所述时间同步信号调节本地时间，使所述本地时间与所述声源定位计算设备的时间同步；

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，控制所述射频收发器向所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送时间同步信号，所述时间同步信号用于指示所述其他声源定位设备进行时间调节，使所述其他声源定位设备的时间与所述声源定位计算设备的时间同步。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微处理器，还用于：

确定所述声音信号的幅值；若所述声音信号的幅值大于预设阈值，则确定所述声音信号为目标声源的声音信号。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括供电单元，所述供电单元用于为所述设备提供电能。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括微存储器，所述微存储器用于存储包含所述声音信号、所述声音到达时间、所述声源定位设备的位置坐标、所述目标声源的位置坐标的数据信息。

7.一种基于微系统技术的声源定位方法，其特征在于，所述方法应用于声源定位系统中的声源定位设备，所述方法包括：

检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述声源定位设备是声源定位计算设备的情况下，接收所述声源定位系统中的其他声源定位设备发送的包含声音到达时间的定位消息；

根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

9.一种基于微系统技术的声源定位装置，其特征在于，所述装置包括：

检测模块，用于检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

数据收发模块，用于在所述声源定位设备非声源定位计算设备的情况下，向所述声源定位系统中的声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息，所述定位消息用于指示所述声源定位计算设备根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

10.一种基于微系统技术的声源定位系统，其特征在于，所述声源定位系统包含至少两个上述权利要求1至6任意一项所述的基于微系统技术的声源定位设备，所述至少两个声源定位设备中包含声源定位计算设备；其中：

所述声源定位设备，用于检测目标声源的声音信号，并确定所述声音信号的声音到达时间；

所述声源定位设备中除所述声源定位计算设备以外的其他声源定位设备，还用于向所述声源定位计算设备发送包含所述声音到达时间的定位消息；

所述声源定位计算设备，用于根据所述声源定位系统中的各声源定位设备的声音到达时间计算所述目标声源的位置坐标。

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