[发明专利]一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法

摘要

本发明一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，涉及室内定位领域，该方法利用声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元构成的设备，选择采用三个不同频带的声音信号作为三个声源的发声信号来实现麦克风位置的空间估计，该三个频带不同的声音信号被待定位麦克风和参考麦克风所接收，通过计算待定位麦克风与声源之间的距离，计算出待定位麦克风的空间位置，通过声达时间差和几何体积求解的方式实现基于声源阵列的空间麦克风定位；本发明克服了现有技术存在的操作较繁琐，效率较低，安装不便，只能离线计算，无法实现麦克风位置的在线估计和无法实现空间分布麦克风的位置估计的缺陷。

主权项

1.一种基于声源阵列的空间麦克风定位方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备：在一个三维空间内，设定基于声源阵列的空间麦克风定位方法所用的设备，包括声源分布单元、参考麦克风、待定位麦克风以及麦克风信号处理单元；其中，上述声源分布单元由三个声源按照三角形排列并且为三角形固定构成，这三个声源分别为空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3，三个声源同时发出三个频带不同的声音信号；上述参考麦克风为一个麦克风，其分别到三个声源中的第i个声源的距离为di(i＝1,2,3)且这三个距离固定且已知，同时该参考麦克风设置在保证能接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围之内；上述的待定位麦克风被用于验证算法的正确性，将其固定在物体上即可计算出物体的位置信息，其数量为N≥1，被安置在三维空间中的能保证接收到声源分布单元所发出的声音信号的范围内；麦克风信号处理单元被集成在参考麦克风和待定位麦克风上，用以处理麦克风接收到的声源分布单元所发出的声音信号同时计算其自身位置的信息；上述三个频率不同的声源与上述参考麦克风的位置排放在二维平面内，并构成四边形。第二步，设定声源分布单元的声音传播满足线性波动方程，计算第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离：在上述第一步所述的三维空间内，设定空间内的环境在声音信号测定的时间内不变，上述第一步中设定的声源1、声源2和声源3同步产生声音信号xi(t)，待定位麦克风中的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)则是室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，设声源分布单元发出的声音信号为si(t)，上述第一步中设定的第j个待定位麦克风接收到的声音信号xij(t)即室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果由如下公式(1)所示，公式(1)中，xij(t)(i＝1,2,3,j＝1,2.....N)为室内脉冲响应与声源发出的声音信号的卷积结果，τij(i＝1,2,3)为声源信号到第j个待定位的麦克风的时间延迟，n(t)(i＝1,2,3)为环境噪声，“*”为卷积算子，声源信号为si(t)(i＝1,2,3)和环境噪声n(t)(i＝1,2,3)互不相关，通过声达时间法与上述第一步中设置的声源分布单元与上述第一步中设定的参考麦克风之间的距离关系即可计算上述第一步中设置的第j个待定位麦克风到上述第一步中设置的声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离如下公式(2)所示，dij＝Lj+ΔTij·c            (2)，公式(2)中，ΔTij(i＝1,2,3,；j＝1,2.....N)为上述第一步中设置的第j个待定位麦克风与参考麦克风接收到上述第一步中的声源分布单元的三个声源中的第i个声源发出的声音信号的时间差，c为空气中声音的传播速度，Li(i＝1,2,3)为第一步中三个声源中的第i个声源到参考麦克风的距离,由此计算出第j待定位麦克风到声源分布单元的三个声源中的第i个声源的距离；第三步，计算出待定位麦克风的空间位置：在上述三维空间中，设定实现空间麦克风定位的已知位置的参考节点最少为3个，分别为坐标为(x1，y1，z1)的A参考节点、坐标为(x2，y2，z2)的B参考节点和坐标为(x3，y3，z3)的C参考节点，再设定O为未知位置的待定位节点，最少由上述四个节点单元组成一个最下的三维立体空间定位系统，参考节点A到待定位节点O之间的距离为di1，参考节点B到待定位节点O之间的距离为di2，参考节点C到待定位节点O之间的距离为di3，由如下公式(3)、(4)、(5)、(6)计算出待定位麦克风的空间位置，z＝V/SΔABC                (5)，坐标为(x1，y1，z1)的A参考节点、坐标为(x2，y2，z2)的B参考节点和坐标为(x3，y3，z3)的C参考节点分别被指定为上述第一步中设置的空间坐标为S1(x1,y1,z1)的声源1、空间坐标为S2(x2,y2,z2)的声源2和空间坐标为S3(x3,y3,z3)的声源3的三个声源，待定位节点O为上述第一步中设置的第i个待定位麦克风，那么，b,a,f分别为待定位节点O，到坐标为(x1，y1，z1)的A参考节点、坐标为(x2，y2，z2)的B参考节点和坐标为(x3，y3，z3)的C参考节点的距离差，c,d,e,分别为A与B参考节点，A与C参考节点，B与C参考节点之间的距离，V为上述第一步中设置的声源1、声源2和声源3与上述第一步中设置的第i个待定位麦克风所构成的四面体的体积，由上述四面体体积公式(3)‑(5)得到上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中z的坐标，将其带入公式(6)中，解得上述第一步中设置的第i个待定位麦克风在上述三维空间中x,y的坐标，由此计算出待定位麦克风的空间位置。