[发明专利]一种基于MFCC特征提取的交叉路口碰撞音频预警测评方法

权利要求书

1.一种基于MFCC特征提取的交叉路口碰撞音频预警测评方法，其特征在于：利用组合导航系统获取主车HV、路侧单元以及远车RV在行驶过程中的基础参数信息，利用麦克风获取主车上的音频预警信息，并采集交叉路口碰撞预警ICW中HV、RV、路侧单元的通讯接口信息，采用语音识别算法和数据插值方法进行数据处理，实现对通信距离、数据更新频率、系统延迟、预警时间指标的测评；具体步骤包括：

步骤一：基础参数采集

为HV、RV、路侧单元安装组合导航系统，为HV安装麦克风及语音识别设备；组合导航与ICW的系统时间均以北斗时间为参考基准；测试过程需采集ICW的通讯接口信息，包含HV、RV以及路侧单元收到和发出消息的时间信息；

测评所需的基础参数信息包括：HV的经纬度坐标、速度、航向角、语音预警信号以及HV收到路侧单元发出消息的时刻；RV的经纬度坐标、速度、航向角以及RV向路侧单元发出消息的时刻；路侧单元的经纬度坐标、路侧单元收到RV发出消息的时刻以及路侧单元向HV发出消息的时刻；

步骤二：预警信号识别

首先对采集的音频信号进行端点检测，分离出有效的语音段，然后提取各语音段的Mel频率倒谱系数MFCC，对语音的MFCC特征向量采用动态时间规整算法DTW进行语音识别，具体步骤如下：

子步骤1：基于双门限法的音频端点检测

首先对语音信号进行分帧，以T秒为一帧，步长为p秒，分帧得到信号F，假设语音信号的采样频率为f,每一帧语音中的样本个数为N＝T×f；

则每一帧计算信号的短时能量为：

每一帧信号的短时过零率为：

其中m表示第m帧，q_m(n)表示第m帧的语音信号；

语音信号的阈值为：右端点取短时能量均值的一半左端点取语音信号前5帧的均值与短时能量均值的五分之一之和其中，Q为待识别的语音信号；过零率阈值l表示语音信号的帧数；

利用这三个阈值对语音信号进行端点检测，首先用High对分帧后的信号F进行搜索，以短时能量大于High的帧为起点，小于High的帧为终点，将语音分成若干段；然后用Low对第一次分段进行扩展，以第一次分段的左右端点为起点，分别向左右两边扩展，若帧的短时能量大于Low则进行扩展，小于Low则不进行扩展；最后利用z对第二次扩展结果再次进行扩展，若帧的短时过零率大于z则进行扩展，小于z则不进行扩展；至此，端点检测结束，得到以帧为单位的有效语音列表；

子步骤2：MFCC特征提取

对每一段有效语音提取其MFCC特征，其中提取一段语音信号Q'的MFCC特征的具体步骤如下：

(1)对语音信号进行预加重处理，方式如下：

Q”(n)＝Q'(n)-μQ'(n-1)，μ取0.97

其中，Q'(n)表示语音信号的每一个采样点；

(2)保留基于双门限法的音频端点检测的分帧结果，每一帧语音中的样本个数为N；

(3)分帧后，对每一帧信号q”(n)加窗，采用汉明窗：

a取0.46

(4)对每一帧语音做离散傅里叶变换：

(5)定义一个有M个滤波器的滤波器组，采用的滤波器为三角滤波器，M取26；滤波器的定义如下：

f(m)定义为：

F_mel(f)＝1125ln(1+f/700)

f_l为滤波器定义的最低频率，f_h为滤波器定义的最高频率，f_s为采样频率；

将能量谱通过上述三角滤波器组，并计算每个滤波器组输出的对数能量：

(6)将上述的对数能量带入离散余弦变换，求出L阶的梅尔倒谱参数，L指MFCC系数阶数，取12-16；

(7)动态差分参数计算，公式为：

求出一阶差分参数后，将一阶差分参数再带入求得二阶差分参数，Θ取1或2；

取梅尔倒谱参数、一阶差分参数以及二阶差分参数的前13个系数，得到该帧语音的MFCC特征向量；

子步骤3：DTW算法语音识别

假设一段语音信号提取到的特征为(u₀,u₁,...,u_m-1)，以已经提取过MFCC特征的标准语音为模板S＝(s₀,s₁,...,s_n-1)，按照DTW算法计算每一帧语音MFCC特征的累计距离为：

其中，d(s_i,u_j)＝||s_i-u_j||₂，s_i和u_j表示每一帧语音的MFCC特征向量，D(n-1,m-1)即为的相似性度量结果，当时，匹配成功，λ可根据实际调试效果进行调整，语音分段的起始位置就是预警发出的时间；

步骤三：交叉路口碰撞音频预警测评

(1)通信距离测评

首先，定义通讯距离为路侧单元第一次收到RV消息时，路侧单元与RV的距离；假设该时刻为t_c，当组合导航信息的采集时刻没有t_c的对应值时，采用插值方法取得t_c时刻车辆的位置信息，k表示组合导航采样数据的编号，假设当前时刻t_c介于t_k与t_k+1之间，t_k时刻经纬度坐标为(x_k,y_k)，以经度计算为例取t_k-1、t_k、t_k+1、t_k+2做自然三次样条插值：

h₀＝t_k-t_k-1，h₁＝t_k+1-t_k，h₂＝t_k+2-t_k+1

f[t_k-1,t_k,t_k+1]表示三阶差商，其中f[t_k-1,t_k]表示二阶差商，完成以上参数计算后，列矩阵方程：

解矩阵方程得M₂、M₃，写出方程系数：

得到方程s₂(t)＝a₂+b₂(t-t_k)+c₂(t-t_k)²+d'₂(t-t_k)³,t_k＜t≤t_k+1，计算s₂(t_c)，得到t_c时刻经度x_c,以同样的方法计算纬度，得到当前RV的经纬度坐标(x_c,y_c)，已知路侧单元的位置为(x_s,y_s)，两者之间距离为：

d＝R×arcos[cos(y_s)×cos(y_c)×cos(x_s-x_c)+sin(y_s)×sin(y_c)]

其中R为地球半径，取6371.0km，反余弦函数的值取弧度值；

(2)数据更新频率测评

统计测试时长T_s内HV收到的数据数量为A，则数据更新频率为A/T_s；

(3)系统延迟测评

假设对于同一条逻辑关系的信息，RV向路侧单元发送消息的时刻为t_rs,路侧单元收到RV消息的时刻为t_s，路侧单元向HV发送消息的时刻为t_sh，HV收到路侧单元消息的时刻为t_h，则系统延时可以计算为：

RV与路侧单元收发消息的延时为t_s-t_rs

路侧单元与HV之间收发消息的延时为t_h-t_sh

系统整体延时为t_h-t_rs

(4)预警时间测评

假设由步骤二得到预警发出时刻为t_w，以预警发出时刻t_w为基准，用插值的方法得到该时刻HV的经纬度坐标(x₁,y₁)与航向角θ₁，以及该时刻RV的经纬度坐标(x₂,y₂)与航向角θ₂，速度信息同样有可能存在采集时间上的不一致，采用线性插值方法求得t_w时刻的速度信息；

假设t_w介于t_j与t_j+1之间，t_j时刻车辆速度为v_j，t_j+1时刻车辆速度为v_j+1，采用线性插值的方法求得t_w时刻车辆的速度v＝(v_j+1-v_j)×f×(t_w-t_j)，其中f为组合导航的采样频率，即1/(t_j+1-t_j)，按照上述方法，计算HV和RV在t_w时刻的速度分别为v₁、v₂；

由车辆的经纬度坐标和航向角可以写出沿车辆当前行驶方向的直线y-y₁＝tanθ₁(x-x₁)，y-y₂＝tanθ₂(x-x₂)，计算两直线的交点可以得到预计碰撞点的坐标为：

由通信距离测评中计算距离的方式可以算出HV与RV与预计碰撞点的距离分别为l₁、l₂，到达碰撞点的时间分别为t₁＝l₁/v₁,t₂＝l₂/v₂；若|t₁-t₂|＜ε,表示两车到达碰撞点的时间足够接近，即两车会发成碰撞，若t₁满足2.7s＜t₁＜4.4s，则判断ICW预警有效。