聲源定位跟蹤系統(tǒng)

林鈺哲，姚璇

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江杭州，310018；2.浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江杭州，310018)

0 引言

在智能機器人、智能駕駛、視頻會議等眾多領域中，麥克風陣列信號處理仍處于重要地位。而聲源定位與追蹤技術是麥克風陣列信號處理中的關鍵技術。未來該技術的應用場景非常廣泛，在多個高新領域中都有重要意義，對其開展研究具有很強的理論意義與實踐價值?？紤]到實際使用中，存在一些嵌入式開發(fā)板算力不足或是使用場景有一定時效性的要求，在眾多聲源定位技術中，TDOA 定位方法因其具有兼顧低運算量以及較高精度等優(yōu)勢，成為實際使用中的不二選擇。TODA 方法的定位過程可以分為以下兩個階段：(1)對于聲音信號到達麥克風之間的時間差進行估計；(2)通過聲源定位算法確定聲源的位置。綜合以上優(yōu)勢，本文決定采用TDOA 定位方法，設計了一個對近場聲源進行實時識別定位與追蹤的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設計

使用Sipeed 麥克風陣列對聲源所發(fā)出的聲音信號進行收集后進行簡單的處理，將信息通過K210 微處理器的特制端口傳遞到芯片中，使用TDOA 算法對麥克風陣列傳過來的信號進行計算和處理后，在算法中加入了對角度的修正，在處理出了各個麥克風方向的角度和強度后，用向量合成的方法來進行聲音方向的判斷，對其進行x，y方向角度的修正，多次調用該過程收集所得的角度，去掉最大最小角度，其余角度取均值得到一個誤差相對來說較小的角度，通過改變舵機占空比來控制舵機的運動。對于紅外線的控制，本文使用了對每個麥克風信號累加求和的方式，若麥克風的累加強度大于一個閾值則紅外燈亮，反之則不亮?？傮w思路為麥克風陣列驅動K210 微處理器，K210 通過輸出信號驅動舵機和紅外線模塊工作。在系統(tǒng)中具體軟硬件具體誤差消除方法如下：

■1.1 硬件結構誤差消除

由于考慮到地面反射的聲音和舵機轉動產(chǎn)生的噪音對系統(tǒng)識別和追蹤聲源的影響，將麥克風陣列放置在舵機模塊的高處，使用立柱固定住高處的麥克風陣列，用膠槍固定底部的舵機，盡量消除了舵機轉動的聲音對識別聲音方向帶來的干擾。進一步提高識別，追蹤的精確度。

■1.2 軟件算法誤差消除

該系統(tǒng)采用的麥克風陣列，可以分析十二個圓等分的角度上聲音的強度和方向，使用向量的加法運算找出音源的方向，使用去最大值和最小值后取均值的方法來進行誤差的消除，首先使用getdir 函數(shù)對聲音進行多次提取，進一步得到聲源的強度，隨后對聲源強度進行取均值操作，進一步減小隨機誤差，最后，通過不斷迭代的方式，對于所求的的平均值，進行不斷地更新，使得所預測值可以更接近目標值，提高系統(tǒng)精度。除此之外，為適應聲源追蹤實時性需求，本系統(tǒng)通過更改迭代次數(shù)，進一步縮短系統(tǒng)的響應，以此達到時效性要求。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

■2.1 麥克風陣列設計

麥克風陣列，采用麥克風模塊組裝而成，同時其中采用電容式駐極體話筒，可以將音頻信號轉換為電信號，之后使用固定端口與K210 進行通信。

圖2 麥克風陣列電路

■2.2 云臺驅動電路設計

云臺主要通過舵機來帶動運轉，舵機驅動電路如圖3所示，本系統(tǒng)所使用的舵機額定工作電壓為6.0V，電路設計使用的是Buck 電路，進行降壓操作，通過選擇，最終選定采用XLSEMI 公司的設計的XL4015 降壓芯片。單芯片的最大持續(xù)輸出電流高達5A。輸出電壓等于，經(jīng)過計算選取R5=11.5kΩ，R2=3.3kΩ。

圖3 舵機驅動電路

圖4 微處理器K210 電路

■2.3 微處理器K210 電路設計

接受麥克風陣列傳入的信息后計算角度和距離，將角度信息轉換為占空比傳遞給舵機，用各個麥克風聲音強度信息來控制紅外模塊的開關信息。

■2.4 聲源設計

使用自制的萬向輪小車拖動聲源移動播放，聲源采用微型藍牙音箱內置SD 卡可以存儲聲音離線播放。

■2.5 屏幕模塊電路設計

本實驗以2.8 寸的LCD 屏作為屏幕，如圖5 所示，其驅動電壓為3.3V，使用的驅動為ST7789V，通過8 位接口與K210 微處理器進行信息傳輸。

圖5 LCD 屏幕

圖6 KY—008 激光頭傳感器

■2.6 激光頭傳感器模塊設計

采用KY-008激光頭傳感器模塊，其工作電壓為5V，光源的波長為650nm，符合實際使用需要。通過接收K210 微處理器的信號，當各個麥克風收到的聲音強度大于設定值時，激光開啟。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖7 所示，輸入音頻信號對麥克風陣列進行驅動之后，使用getdir 函數(shù)來判斷麥克風放出的聲音是否被接收以及在數(shù)組中記錄聲源的強度。隨后，對數(shù)組進行累加求和計算總的聲源強度，若累加結果小于閾值2，則說明為接收到聲音信號，則系統(tǒng)處于預接收狀態(tài)，紅外設備和舵機不工作；若接收到聲音信號，閾值大于2，開始對得到的音頻信息進行處理，對各個方向的麥克風聲音進行向量加法運算合成為一個音源方向，通過求取均值減小強度誤差和角度誤差。除此之外，程序設計通過按鈕key 來控制模式切換，模式一為精準定位模式，其代碼內取均值的次數(shù)和精度都較多，所以運行的速度比較緩慢，但比較精準，模式二為跟蹤模式，可以實時的跟蹤音源，但是精度不如模式一高。

圖7 系統(tǒng)軟件主流程框圖

■3.1 聲音預處理

本系統(tǒng)的麥克風陣列取得聲源的音頻信號后，由于受環(huán)境等多因素影響，音頻信號會混入噪聲，所以利用K210 處理器執(zhí)行預設定算法，對該信號進行快速傅里葉變換（FFT），進而輸出純凈的音頻信號。

■3.2 云臺控制驅動算法

本系統(tǒng)中使用的云臺通過K210 微處理器計算聲源信號所處位置，輸出信號進而通過調整占空比，來控制云臺的轉向操作，使得紅外線裝置指向聲源位置。

■3.3 TODA 算法

因此發(fā)射聲音與拾音器之間滿足式(1)：

然后可知Dis 代表發(fā)聲電路的第i 個接收模塊的距離差，則雙曲線定位中發(fā)生位置（x，y）和拾音器（xi，yi）滿足式(2)：

采用相位檢波的方法，進一步將兩路正弦波直接的相位差轉換為電壓，隨后采用ADC 通過測量電壓，進而反向計算得到相位差，最終就可以通過方程組求解來實現(xiàn)聲源定位[1～2]。

4 系統(tǒng)測試結果與分析

實驗裝置能對聲源方向進行識別并計算距離，如圖8所示。

圖8 實驗裝置

將聲源識別裝置放置在符合比賽要求的場地上，將聲源放置在與識別裝置夾角分別為0°、10°、-10°、15°、-15°、20°和-20°的位置。測得聲源與識別裝置間的夾角與距離，并在LCD 屏幕上顯示，測試內容記錄在表1 中。

表1 聲源識別系統(tǒng)測試結果

用細繩拖動載有聲源的音響移動，速度控制在0.1 左右，緩慢拖動其從一頭滑向另一頭，觀察激光是否追蹤，測試內容記錄在表2 中。

表2 聲源跟蹤系統(tǒng)測試結果

本系統(tǒng)對每個角度共進行了3 次測試，在模式一：聲源識別系統(tǒng)測試中，對各角度進行充分的測試，相對來說，測量精度較高，且可以較快地對于聲源移動進行響應，大致響應時間為2s 左右。而針對模式二：聲源跟蹤系統(tǒng)測試中，可以明顯看到測量誤差有所提升，但是同時帶來了響應時間的下降大致在1.2s 左右?？偟膩碚f，多個麥克風傳入，導致信號計算產(chǎn)生的誤差會使得偏差顯著增大，誤差出現(xiàn)的主要原因有一：墻壁之間的和地面之間有聲音反射帶來干擾導致測量結果不穩(wěn)定；二：舵機旋轉的聲音干擾了麥克風陣列判斷方向。

5 結語

本系統(tǒng)對聲源進行識別定位以及追蹤的功能，從測試的結果來看，本系統(tǒng)有較高的精確度以及較低的耗時，所以有著較好的應用前景，可以進一步發(fā)展，降低誤差以及耗時。與此同時，本系統(tǒng)仍然存在一定的局限性，對于測量目標距離有一定限制，無法對過遠距離的目標應用；對于測量環(huán)境要求較高，由于地面以及墻面對于聲音的反射會對測量結果帶來干擾，需要對該系統(tǒng)的魯棒性進行提高，從而改進該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，進一步研究將會朝著優(yōu)化該系統(tǒng)的方向進行，例如采用較為先進的盲波束形成算法，它們的共同特點是在于不需要陣列校驗、波達方向、訓練序列、干擾和噪聲的空間自相關矩陣等的先驗知識[3]。