一種新型遙控式陣列定位及生命探測(cè)裝置

葉 倩，王彩霞，田楊萌，楊思琪，劉 琳

（北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京 100192）

0 引 言

火災(zāi)是自然災(zāi)害與社會(huì)災(zāi)害中發(fā)生概率最高的一種災(zāi)害，火災(zāi)發(fā)生地由于建筑、物質(zhì)、火源的多樣性與人員復(fù)雜性，消防條件和氣候條件的差異性，使得災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過程中的救援變得極為復(fù)雜[1]。對(duì)于有遮擋物或在嚴(yán)重影響視線的環(huán)境條件下，給身處危險(xiǎn)之中的人員施救造成了很大的障礙。以往的生命探測(cè)儀大部分需要手持，探測(cè)距離受限，探測(cè)效率低下。普遍使用的雷達(dá)探測(cè)儀雖會(huì)對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，但在有障礙物的情況下，很難做到全方位無死角探測(cè)。因此，研究能夠在視線差、干擾多、探測(cè)距離受限等惡劣環(huán)境下的探測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、有效、快速的定位非常必要。

音頻定位技術(shù)主要基于麥克風(fēng)陣列[2]的應(yīng)用，采用固定排列的麥克風(fēng)陣列獲取聲音信號(hào)，然后通過特定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到所需信息。基于麥克風(fēng)陣列的音頻定位方法目前主要分為基于高分辨率譜的定位方法，最大輸出功率的可控波束形成定位方法[3]，基于信號(hào)到達(dá)各麥克風(fēng)的時(shí)間延遲（Time Different of Arrival, TDOA）估計(jì)定位方法。波束形成算法因其遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量精度優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。相比TDOA技術(shù)，波束形成算法基于陣列傳感器上各陣元接收的信號(hào)，算法為陣列輸出選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)矢量以補(bǔ)償每個(gè)陣列元素的傳播延遲，使得陣列輸出可以在某個(gè)期望方向上以相同方向疊加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)的方向定位，具有更好的精度和適用范圍，使陣列在該方向產(chǎn)生主瓣束，并在某個(gè)方向?qū)Ω蓴_進(jìn)行一定程度的抑制[4]。

本設(shè)計(jì)利用運(yùn)動(dòng)音頻傳感器陣列獲取音頻信號(hào)，通過捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取音頻傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)軌跡及變化速度，結(jié)合坐標(biāo)變換并基于麥克風(fēng)陣列的波束形成聲源定位[5]算法計(jì)算聲源位置，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)搜救。

1 探測(cè)原理

1.1 陣列及波束形成簡(jiǎn)介

波束形成又被稱為空域?yàn)V波。波束形成[6]是根據(jù)聲源物理位置來區(qū)分信號(hào)的最簡(jiǎn)單方法，被廣泛用于定向傳輸或接收信號(hào)領(lǐng)域。波束形成算法為陣列輸出選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)矢量以補(bǔ)償每個(gè)陣列元素的傳播延遲，使得陣列輸出可以在某個(gè)期望方向上以相同方向疊加，并在某個(gè)方向?qū)Ω蓴_進(jìn)行一定程度的抑制。對(duì)各陣元輸出信號(hào)加權(quán)求和、濾波，最終輸出期望方向的語音信號(hào)，相當(dāng)于形成一個(gè)“波束”[7]。波束形成器的基本系統(tǒng)模型如圖1所示。盡管陣列的各陣元為全向同性陣元，但對(duì)陣列輸出進(jìn)行加權(quán)求和處理后，可使某個(gè)方向的信號(hào)同相相加，即將天線陣列波束“導(dǎo)向”該方向，獲得最大的輸出增益。

圖1 波束形成基本系統(tǒng)模型

目前，根據(jù)波束形成的權(quán)系數(shù)與陣列接收信號(hào)是否有關(guān)將波束形成主要分為兩類，一類是固定波束形成算法，如延遲相加波束形成算法，它的波束形成的權(quán)系數(shù)與陣列接收信號(hào)無關(guān)；另一類是自適應(yīng)波束形成算法，如基于廣義旁瓣抵消（GSC）結(jié)構(gòu)和線性約束最小方差（LCMV）結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)波束形成算法，它的波束形成的權(quán)系數(shù)與陣列接收信號(hào)相關(guān)。

對(duì)于固定波束形成，最常用的也是最傳統(tǒng)的方法，即延遲相加波束形成算法。由于麥克風(fēng)陣列中每個(gè)麥克風(fēng)的位置不同，因此接收到語音信號(hào)的時(shí)間不同，選定一個(gè)麥克風(fēng)作為參考麥克風(fēng)，計(jì)算出目標(biāo)聲源到達(dá)參考麥克風(fēng)的時(shí)間，然后計(jì)算其他通道（即麥克風(fēng)陣列陣元）相對(duì)于此參考麥克風(fēng)的時(shí)延，通過時(shí)間補(bǔ)償使各通道的語音信號(hào)同步，將各通道的信號(hào)相加，使目標(biāo)方向的信號(hào)同相疊加得到增強(qiáng)，等效于陣列波束圖的主瓣對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向，其他方向相比于主瓣方向均有不同程度的削弱。

1.2 陣列聲定位算法

如圖2所示，以均勻線性陣列為例，設(shè)有M個(gè)陣元，信號(hào)到達(dá)方向?yàn)棣?，目?biāo)信號(hào)為s(t)，則第M個(gè)陣元相對(duì)參考麥克風(fēng)接收到的信號(hào)為s(t-τm)，傅里葉變換如下：

麥克風(fēng)陣列接收的信號(hào)可以表示為：

式中：τm表示麥克風(fēng)陣列的陣元m相對(duì)于參考陣元接收到的語音信號(hào)時(shí)間差；dm表示陣元m相對(duì)參考麥克風(fēng)間的距離；ω為接收信號(hào)的載波角頻率；v為聲速。

式中，W(θ)為陣元的響應(yīng)矢量。在延遲相加算法中，每個(gè)陣元的權(quán)值為該陣元相對(duì)參考陣元需要補(bǔ)償?shù)南辔谎舆t，即陣元響應(yīng)向量的共軛轉(zhuǎn)置。

因此，麥克風(fēng)陣列的輸出信號(hào)可表示為：

式中：M個(gè)陣元為M個(gè)通道；WH為W矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；n為陣列間距個(gè)數(shù)。將每個(gè)通道的數(shù)據(jù)乘以其相應(yīng)的權(quán)系數(shù)再相加。利用自適應(yīng)波束成形算法求得的權(quán)矢量為：

經(jīng)過自適應(yīng)波束成形算法處理后的語音信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)為[8]：

輸出的陣列方向圖為：

式中，a(θ)為陣列的導(dǎo)向矢量。

權(quán)矢量不同，陣列信號(hào)經(jīng)波束形成器后的輸出也不同，所以自適應(yīng)波束形成的目的是選擇最優(yōu)權(quán)，使波束形成器的信噪比達(dá)到最大。

1.3 聲源定位算法中運(yùn)動(dòng)陣列坐標(biāo)變換

傳統(tǒng)的陣列一般采用固定的麥克風(fēng)音頻陣列定位移動(dòng)的聲源，或采用移動(dòng)的麥克風(fēng)陣列定位靜止的聲源，但算法不能直接使用，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為以往的常規(guī)坐標(biāo)，之后再通過捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)采集無人機(jī)的坐標(biāo)。音頻傳感器陣列安裝在無人機(jī)上，采集的無人機(jī)坐標(biāo)即為音頻傳感器陣列的坐標(biāo)。將音頻傳感器陣列關(guān)聯(lián)至捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，用于測(cè)定運(yùn)動(dòng)中的音頻傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度變化。

得到音頻傳感器陣列的坐標(biāo)后，采用三維轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用公共點(diǎn)，即同時(shí)具有WGS84直角坐標(biāo)和地方坐標(biāo)的直角坐標(biāo)的點(diǎn)位，一般需要3個(gè)以上重合點(diǎn)，通過布爾莎模型或其他模型計(jì)算，得到從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)系統(tǒng)的平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)和比例因子。具體包括計(jì)算公共點(diǎn)的重心、推算 WGS84 與地方橢球間的平移參數(shù)、地圖投影應(yīng)用于 WGS84 坐標(biāo)點(diǎn)、確定二維轉(zhuǎn)換參數(shù)、建立高程插值模型。首先搜集應(yīng)用區(qū)域內(nèi)GPS“B”級(jí)網(wǎng)3個(gè)以上網(wǎng)點(diǎn)WGS84坐標(biāo)系B、L、H值，及我國坐標(biāo)系B、L、h、x值（B、L、H分別為大地坐標(biāo)系中的大地緯度、大地經(jīng)度及大地高，h、x分別為大地坐標(biāo)系中的高程及高程異常，N為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑，e為橢球第一偏心率，A為橢球長(zhǎng)半徑。各參數(shù)可以通過各省級(jí)測(cè)繪局或測(cè)繪院具有“A”級(jí)、“B”級(jí)網(wǎng)的單位獲得）。計(jì)算不同坐標(biāo)系三維直角坐標(biāo)值，計(jì)算公式如下：

2 生命探測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了一種遙控式生命探測(cè)裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中生命探測(cè)儀使用場(chǎng)景受限、探測(cè)效率低下的問題。此設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如下：

（1）音頻傳感器陣列是運(yùn)動(dòng)的、可遙控的；

（2）陣列定位算法是本研究的關(guān)鍵，該技術(shù)基于目前的波束形成算法，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)和靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)陣列定位的結(jié)果顯示；

（3）使用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量陣列的運(yùn)動(dòng)軌跡及其速度；

（4）定位系統(tǒng)采用GMS傳送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的交互和共享。

此設(shè)計(jì)將陣列固定在無人機(jī)上，通過控制無人機(jī)的航線實(shí)現(xiàn)音頻傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)的音頻傳感器陣列拾取靜止的待搜救人員的音頻信號(hào)，使用單片機(jī)進(jìn)行音頻信號(hào)的處理和采集，利用GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，利用三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)音頻傳感器陣列和聲源的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)現(xiàn)有算法，并實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止待搜救人員的定位。該生命探測(cè)儀能夠被方便、快捷地投放到待測(cè)目標(biāo)區(qū)域，并最大限度利用火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)上部有利空間進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)需要隨時(shí)改變或調(diào)整搜救范圍，解決因障礙物遮擋帶來的定位盲區(qū)與探測(cè)距離遠(yuǎn)等問題，生命定位搜尋功能更優(yōu)。

2.1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)主要由控制器、無人機(jī)、音頻傳感器陣列、信號(hào)處理及采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 音頻探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

該裝置包括控制器、無人機(jī)、音頻傳感器陣列、信號(hào)處理及采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和PC端?？刂破饔糜诟鶕?jù)PC端的控制信號(hào)控制無人機(jī)的飛行航向，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)搜救工作。音頻傳感器陣列安裝在無人機(jī)上，與信號(hào)處理及采集模塊連接。信號(hào)處理及采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，數(shù)據(jù)傳輸模塊通過云平臺(tái)與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

此控制器可通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與PC端的通信，以及對(duì)無人機(jī)的控制，有助于無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下開展搜救工作，如搜救火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)被困人員，在大霧彌漫的深山中搜救迷路游客，在雨雪天氣對(duì)身處其中的人員精準(zhǔn)定位并施救，抓捕躲藏在有遮擋物空間的逃犯或犯罪嫌疑人等。

2.2 系統(tǒng)信號(hào)處理

音頻傳感器陣列拾取的信號(hào)為模擬信號(hào)，而單音頻傳感器只有信號(hào)拾取功能，能夠識(shí)別信號(hào)但無信號(hào)采集功能，因此需要借助具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的信號(hào)處理及采集模塊。信號(hào)采集部分使用具有高性能、低功耗的STM32F407系列單片機(jī)。

本設(shè)計(jì)選取的STM32是Cortex_M4最高168 MHz主頻帶DSP，外圍設(shè)備的擴(kuò)充量較強(qiáng)，GPIO的功能選擇和精度較高。在STM32單片機(jī)外設(shè)接GMS模塊以搭建云平臺(tái)。STM32系列單片機(jī)內(nèi)置3個(gè)ADC控制器，可獨(dú)立使用，通過使用雙重/三重模式提高采樣率，具有體積小、易操作、便攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 無人機(jī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

2.3.1 無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及機(jī)體坐標(biāo)系選取

自20世紀(jì)60年代開始，對(duì)無人機(jī)的研究多以靶機(jī)和民用無人機(jī)為對(duì)象[9]。近年來，我國無人機(jī)在飛控系統(tǒng)、語音傳輸、組合導(dǎo)航、圖像拍攝、傳感器等諸多技術(shù)領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，故利用無人機(jī)能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中生命探測(cè)儀使用場(chǎng)景受限、探測(cè)效率低的問題。

2.3.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)及其應(yīng)用

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種無框架系統(tǒng)，由3個(gè)速率陀螺、3個(gè)線加速度計(jì)和微型計(jì)算機(jī)組成，能精確提供載體的姿態(tài)、地速、經(jīng)緯度等導(dǎo)航參數(shù)[10]。對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，平臺(tái)的作用和概念體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中，它是寫在計(jì)算機(jī)中的方向余弦陣。直接安裝在載體上的慣性元件測(cè)得相對(duì)慣性空間的加速度和角加速度均為沿載體軸的分量，將這些分量經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方向余弦陣后轉(zhuǎn)換為要求的計(jì)算機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的分量。如果該矩陣可以描述載體和地理坐標(biāo)系間的關(guān)系，那么載體坐標(biāo)系測(cè)得的相對(duì)慣性空間的加速度和角速度經(jīng)轉(zhuǎn)換后便可得到沿地理坐標(biāo)系的加速度和角速度分量，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)便可根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)方程求解要求的導(dǎo)航和姿態(tài)參數(shù)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理

相比靜止的音頻傳感器陣列，遙控或運(yùn)動(dòng)的音頻傳感器陣列能夠方便、快捷地投放到待測(cè)目標(biāo)區(qū)域，并根據(jù)需要隨時(shí)改變或調(diào)整搜救范圍，解決因障礙物遮擋帶來的定位盲區(qū)問題。運(yùn)動(dòng)音頻傳感器陣列載體（如無人機(jī)）的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度變化的準(zhǔn)確測(cè)定是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)音頻傳感器陣列定位算法的關(guān)鍵，運(yùn)動(dòng)軌跡及速度變化的微小誤差都可能導(dǎo)致陣列聲源定位出現(xiàn)較大誤差。故遙控或運(yùn)動(dòng)的音頻傳感器陣列使用先進(jìn)的捷聯(lián)慣導(dǎo)對(duì)陣列運(yùn)動(dòng)軌跡及速度變化進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)待搜救人員的準(zhǔn)確定位和搜尋。

3 結(jié) 語

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是發(fā)生頻率最高也最普遍的災(zāi)害。本研究設(shè)計(jì)了一種遙控式生命探測(cè)裝置[11]，通過控制載有平面麥克風(fēng)陣列的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)音頻傳感器陣列的運(yùn)動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)的音頻傳感器陣列和單片機(jī)拾取、采集靜止的待搜救人員的音頻信號(hào)，利用三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)音頻傳感器陣列和聲源的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以適用于現(xiàn)有定位算法。該生命探測(cè)儀解決了現(xiàn)有技術(shù)中生命探測(cè)儀使用場(chǎng)景受限、探測(cè)效率低的問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。