[发明专利]一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及声音测量技术，具体为一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置，主要适用于导航定位、环境监测、军事排爆和科学研究等领域。

背景技术

随着电子技术的不断发展以及受到自然界生物的启发，研究人员开始使用模拟生物视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官的电子设备对环境进行认识。在对环境认识过程中，单个或者多个测量设备本身的位置信息是对环境进行认识过程中的一个主要组成部分。另外，随着无线电及微电子技术的发展，无线节点的成本大大降低，从而利用固定或移动的无线传感器节点（如移动机器人）构建传感器网络对环境进行分布式认识很容易实现。给这样的传感器网络配备特定的传感器，可广泛应用于环境监测，战场中爆炸物排除，以及对矿井下事故的监测、预报等。在这些应用当中，传感器网络节点的位置信息显得尤为重要。GPS定位系统是目前广泛被采用的位置信息获取装置，但常规的GPS系统定位精度太低，如采用定位精度较高的差分GPS系统又存在体积大、价格昂贵等问题，不宜进行大批量部署。此外，视觉传感器也可以被用来获取网络节点的位置信息，但是其一般具有方向性，不能覆盖其周围360°的范围，尽管全局视觉定位装置能弥补上述缺点，但也存在结构复杂、价格贵、计算复杂度大等问题，因此也不适用于无线传感器网络节点。鉴于声波是以声源为中心，无数个球面波叠加而成，故若声源声音出口朝上，则可覆盖其周围360°的范围，加之声音探测器价格低廉，适合大批量部署，因此利用声音探测器获取位置信息在传感器网络应用方面具有明显的优势。

目前声音定位多用在辅助多媒体信息的采集。比如，在演讲大厅中，对演讲者进行定位，以控制摄像或录音设备对准演讲者，以提高拍摄、录音效果，在该应用中主要使用麦克风阵列中不同麦克风的声音强度来确定声源的方位，以提高声音采集的效果（参见“一种阵列麦克的声音定位方法和装置”，200810084727.7）。但这种定位方法只是对声源的方位进行大致的估计，并不能精确解算出声源相对于麦克风的位置坐标。此外，声音定位方法也被用于机器人引导（参见“一种基于声音引导的机器人定位装置”，200910219548.4）。这种引导装置被安装在机器人上，由机器人的控制单元控制发声装置发声，然后由机器人外固定位置的麦克风接收声音，并传送声音信号到定位单元，从而计算出机器人当前的坐标位置。机器人和定位单元之间通过无线模块进行通信，机器人根据无线模块传送来的坐标信息调整运动，向目标点行进，并最终到达目标点。上述方法在定位过程中，麦克风阵列中麦克风是分散排布在环境当中，而且麦克风之间的距离远大于声音的波长，因此属于集中式的远场定位方法。专利文献“无需时间同步的声音定位系统及方法”（200910219548.4）中，描述了一种在无线传感器网络中无需时间同步的声音定位系统。该系统包括：待定位节点，对外发出声源信号；两个以上的接收器，分为基准接收器和信标接收器两种，录制待定位节点发出的声源信号以及所述基准接收器对外发出的后继声源信号，并将录制结束后的录音数据输出给服务器；服务器接收各接收器输出的录音数据，并依据该录音数据计算出待定位节点的位置，将其显示在服务器上。服务器根据接收到的待定位节点发出的声音信号和信标节点发出的后续声音信号的时间差对待定位节点进行定位，因此，该方法是一种离线的全局声音定位方法。但其不足是传感器节点不能在本地直接解算出节点之间的相对位置坐标，定位算法实时性不能保证，而且录音装置结构复杂，数据存储量大。

综上所述，目前已有的声源定位方法很难直接应用于传感器网络节点的位置估计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种二维空间分布式声音相对定位方法及装置。该定位方法具有分布式、实时性好、鲁棒性高的特点；该定位装置具有结构简单、造价低、功耗小，且实时性好的特点，可使一定区域（直径为3m的圆形范围）内装有该装置的多个设备实现相对精确定位。

本发明解决所述定位方法技术问题的技术方案是，设计一种二维空间分布式声音相对定位方法，该定位方法采用以下步骤：

[1]初始化，在2-16个定位装置组成的网络中，随机设置一个装置i为发声的节点；

[2]节点i发声，网络中其他节点利用声音定位算法计算出节点i相对于自身的坐标，并使用无线通信模块广播自身的坐标；所述声音定位算法是指基于远场模型的声音到达时间差的声源方向估计算法和基于远场模型的声音到达时间的声源距离估计算法；

[3]节点i根据接收到的相对坐标位置，选择与自身距离最近的节点f的位置，然后传递发声标志给该节点；