基于傳聲器陣列的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)

宮玉琳，文大化

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春　130033）

基于傳聲器陣列的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)

宮玉琳1，文大化2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，各種具有特殊功能的機(jī)器人應(yīng)用到人們的生產(chǎn)生活中。聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)存在的不足，使機(jī)器人在黑暗或有障礙物遮擋的環(huán)境中，利用聲音信息感知環(huán)境中存在的目標(biāo)，并對(duì)其定位，輔助機(jī)器人工作，尤其在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救、軍事等領(lǐng)域，聲源定位系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于傳聲器陣列的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)，采用平面四元傳聲陣列，利用廣義互相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的定位，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

傳聲器陣列；廣義互相關(guān)；聲源定位

聲源定位技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，獲得了較快的發(fā)展，傳聲器陣列技術(shù)逐步取代了單傳聲器探測(cè)的不足，具有很好的抑制噪聲能力，并可通過(guò)相應(yīng)算法確定聲源的空間具體坐標(biāo)，定位準(zhǔn)確。本文在廣義互相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于傳聲器陣列的機(jī)器人定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可以用于機(jī)器人的聲源定位系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)定位精度較高，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

1　傳聲器陣列結(jié)構(gòu)模型

常用的傳聲器陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為線陣列、面陣列、立方體陣列和球面陣列等。傳聲器數(shù)量越多，系統(tǒng)獲得的聲源信息就越多，定位精度越高，但對(duì)系統(tǒng)的要求也越高，實(shí)現(xiàn)的算法越復(fù)雜，這就對(duì)系統(tǒng)的性能提出了較高的要求。反之，傳聲器數(shù)量越少，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)算法越簡(jiǎn)單，但定位結(jié)果的精度越低。因此，實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮定位精度要求、算法復(fù)雜程度和系統(tǒng)性能等多方面因素。

本文綜合上述因素，建立了基于四元平面?zhèn)髀暺麝嚵械穆曉炊ㄎ幌到y(tǒng)，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，傳聲器陣列由四個(gè)傳聲器S1、S2、S3、S4構(gòu)成，各個(gè)傳聲器間距為L(zhǎng)，陣列的中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)。以原點(diǎn)O建立如圖所示的直角坐標(biāo)系，當(dāng)聲源位置在S處時(shí)，便可根據(jù)S與O的距離R，水平角度φ以及俯仰角度θ，確定S的位置。

圖1　傳聲器陣列結(jié)構(gòu)

圖2　四元平面?zhèn)髀暺麝嚵薪Y(jié)構(gòu)

化簡(jiǎn)式（1）可得：

將式（2）代入式（1）可得：

式中，d12=τ12c，d13=τ13c，d14=τ14c。其中，c為聲速，τ12，τ13，τ14為傳聲器M1分別與M2、M3、M4的延時(shí)。因此，在聲源估計(jì)中，只需要計(jì)算出時(shí)延τ12，τ13，τ14，即可求得聲源S的坐標(biāo)x，y，z及聲源與傳聲器M1的距離R1，進(jìn)一步即可求得方位角φ和俯仰角θ，如式（4）和式（5）所示。

考慮到上述計(jì)算量較大，因此實(shí)際應(yīng)用中可采用近似方法計(jì)算方位角φ和俯仰角如式（6）和式（7）所示。

式中：

2　廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法

時(shí)延估計(jì)算法就是利用信號(hào)處理理論，估計(jì)計(jì)算聲音到達(dá)各個(gè)傳聲器的時(shí)間差，進(jìn)一步計(jì)算聲源位置參數(shù)。

當(dāng)聲源與傳聲器陣列距離較遠(yuǎn)時(shí)，可將聲波近似作為平面波來(lái)分析，如圖3所示，只要估計(jì)出時(shí)延τ，即可根據(jù)時(shí)延計(jì)算出方位角，并進(jìn)一步計(jì)算得到聲源位置。

圖3　時(shí)延估計(jì)原理

因此，時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確程度就決定了聲源定位的精確度，本文采用廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)（General Cross Correlation，GCC）算法，對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。

GCC算法的本質(zhì)就是在頻域?qū)β曇粜盘?hào)進(jìn)行加權(quán)，增強(qiáng)信號(hào)的相關(guān)部分并抑制信號(hào)的噪聲，進(jìn)而使相關(guān)函數(shù)在時(shí)延的峰值更為突出。GCC算法能夠很好的抑制噪聲干擾并盡量免受聲源信號(hào)自身特性的影響。

由互相關(guān)函數(shù)與互功率譜可得：

式中，ψ12（ω）為頻域加權(quán)函數(shù)，廣義互相關(guān)函數(shù)的峰值即對(duì)應(yīng)時(shí)延估計(jì)值。

常用的加權(quán)函數(shù)有ROTH加權(quán)、SCOT加權(quán)、PHAT加權(quán)、ML/HT加權(quán)。ROTH加權(quán)、SCOT加權(quán)和PHAT加權(quán)對(duì)抑制信號(hào)的周期分量具有很好的效果，ML/HT加權(quán)是統(tǒng)計(jì)最優(yōu)濾波器，但是需要統(tǒng)計(jì)特性的先驗(yàn)知識(shí)。本文采用ROTH加權(quán)方法對(duì)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)。

為了驗(yàn)證算法的可行性，首先進(jìn)行了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中模擬兩路聲音信號(hào)x1和x2，并加入隨機(jī)噪聲，采樣頻率設(shè)置為1000，延遲點(diǎn)數(shù)為2，理論時(shí)延為0.004。采用GCC算法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，仿真結(jié)果如圖4所示，仿真結(jié)果驗(yàn)證了GCC算法的可行性。

圖4　GCC算法時(shí)延估計(jì)

3　聲源定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的聲源定位系統(tǒng)，采用STM32F 103C8T6芯片作為處理器。STM32系列處理基于ARMCortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)硬件電路由傳聲器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、STM32處理器和液晶顯示電路組成。傳聲器陣列接收到的聲音信號(hào)首先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行濾波和放大，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，接著STM32通過(guò)GCC算法進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，進(jìn)一步得出最終結(jié)果，將聲源坐標(biāo)通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。

圖5　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳聲器選用駐極體傳聲器，駐極體傳聲器由聲電轉(zhuǎn)換電路和阻抗轉(zhuǎn)換電路兩部分組成，具有較好的電聲性能，靈敏度高、價(jià)格低。

信號(hào)調(diào)理電路由兩級(jí)放大電路組成，如圖6所示。運(yùn)算放大器選用LM358芯片，該芯片具有電壓增益高、電壓范圍寬、失調(diào)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。電路中第一級(jí)放大倍數(shù)為，第二級(jí)放大倍數(shù)為

電路中，R2=1kΩ，R4=20kΩ，R5=1kΩ，R7= 50kΩ，因此可得計(jì)算可得信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)為0～1000倍。，可得輸入信號(hào)的總放大倍數(shù)為：

圖6　信號(hào)調(diào)理電路

STM32F103C8T6微控制器系統(tǒng)電路由電源電路、晶振電路、復(fù)位電路等構(gòu)成，如圖7所示。

圖7　STM32F103C8T6微控制器電路

3.2軟件設(shè)計(jì)

GCC時(shí)延估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示，在計(jì)算得到時(shí)延以后，即可根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算得到聲源的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的定位。

圖8　GCC實(shí)驗(yàn)估計(jì)算法流程圖

4　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)如圖9所示，圖（a）為信號(hào)調(diào)理電路，圖（b）為STM32F103C8T6最小系統(tǒng)。

圖9　實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)

表1所示的是利用語(yǔ)音發(fā)生模塊做聲源，實(shí)現(xiàn)的聲源定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，分別將語(yǔ)音模塊放置在30°、60°、90°、120°和150°位置，距離為40～60cm。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，聲源位置在90°時(shí)誤差較小，聲源角度增大或者減小都會(huì)增大定位誤差。同時(shí)，距離越近，定位誤差越小。綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)硬件精度和算法是系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源，此外，不同的環(huán)境中，聲速也不同，如能準(zhǔn)確測(cè)試出實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的聲速，定位精度還可進(jìn)一步提高。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于傳聲器陣列的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)，完成了聲源定位系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)定位誤差較小，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)聲源位置的定位。為了提高定位精度，未來(lái)需要在定位算法上做進(jìn)一步的改進(jìn)。

［1］Wax M，Lailath T.Optimum location of multiple sources by passive arrays［J］.IEEE Transactions on Acoustics，SpeechandSignalProcessing，1983，31 （5）：1210-1217.

［2］王濤.基于ARM的聲源定位技術(shù)研究［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2013.

［3］Wang Yabin，Jia Jingjing，Liu Mingjie.Research on acoustic localization algorithm based on dual fourelementarrays［J］.JournalofBeijingInstituteof Technology.2009，18（1）：55-58.

［4］呂曉玲.基于聽(tīng)覺(jué)信息的機(jī)器人聲源定位技術(shù)研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］崔瑋瑋，曹志剛，魏建強(qiáng).聲源定位中的時(shí)延估計(jì)技術(shù)［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2007，22（1）：91-98.

［6］柯昆.聲源定位技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

The Robot Sound Source Locating System Based on Microphone Array

GONG Yulin1，WEN Dahua2
（1.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033）

With the development of computer technology and signal processing technology，all kinds of robots with special functions are applied to the production and life of people.The auditory system can make up for the deficiency existing in the robot vision system，the robot in the dark or obstructions of environment，using sound information perception environment in the presence of the target，and the positioning，robot assisted work，especially in the field of disaster rescue，military and other fields，sound source localization system has a unique advantage.The sound source localization robot system for research，design based on microphone array sound source localization robot system by four element planar microphone array，using the generalized cross correlation algorithm，to achieve the sound source localization.Experimental results show that the system has high positioning accuracy，with a high practical value.

microphone array；generalized cross correlation；sound source localization

TP301

A

1672-9870（2016）03-0041-04

2016-02-18

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，E-mail：garrygong1983@126.com