基于doa的聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于doa的聲源定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0基于兩種聲源定位算法的三維聲源定位算法家禽。麥克風(fēng)陣列聲源定位有著廣泛的用途,它可以用于高質(zhì)量的語音識(shí)別軟件的前端預(yù)處理,可用于強(qiáng)噪聲環(huán)境下的聲音獲取(如飛機(jī)機(jī)艙),也可以用于電話會(huì)議、視頻會(huì)議等系統(tǒng)中控制攝像頭和傳聲器陣列波束方向?qū)?zhǔn)發(fā)言人,還可以用于助聽器等裝置中.目前麥克風(fēng)陣列聲源定位方法主要包括基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)、基于高分辨率譜估計(jì)技術(shù)和基于聲波到達(dá)時(shí)間差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)技術(shù),本文系統(tǒng)采用的是后者,因其計(jì)算量很小,加上DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的高速運(yùn)算性能,可以對(duì)聲源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位.麥克風(fēng)陣列聲源定位技術(shù)涉及到很多方面的理論知識(shí),比較核心的就是陣列信號(hào)的處理,而信號(hào)采集的方式更是直接影響聲源定位的準(zhǔn)確性.通常為了追求精準(zhǔn)的定位,一般三維定位陣列模型中采用的麥克風(fēng)數(shù)量非常多,如圓形陣列、空間無限多麥克風(fēng)陣列等.由于麥克風(fēng)價(jià)格昂貴,多麥克風(fēng)系統(tǒng)無法進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用中.文獻(xiàn)基于雙麥克風(fēng)定位模型提出了基于麥克風(fēng)陣列的二維平面定位算法,實(shí)現(xiàn)了聲源的二維定位.本文建立的采用四麥克風(fēng)陣列的三維聲源定位模型比以往多麥克風(fēng)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn),比二維定位實(shí)用性強(qiáng).更小的搜索步長(zhǎng)和正四面體空間結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了因麥克風(fēng)少使得精度低的不足.采用DSP芯片比以往借助PC機(jī)處理算法更快,可視化的終端方便使用者及時(shí)了解聲源坐標(biāo).1聲源到12+y2的距離判斷Systemmodelandalgorithm如圖1所示,m1、m2、m3、m4分別代表4個(gè)相同的麥克風(fēng),S代表聲源.4個(gè)麥克風(fēng)分別置于正四面體的4個(gè)頂點(diǎn),m1、m3在x軸上,且m1在原點(diǎn).r表示4個(gè)麥克風(fēng)之間的距離,d1、d2、d3、d4分別表示聲源到4個(gè)麥克風(fēng)(陣元)的距離.每3個(gè)麥克風(fēng)組成一個(gè)等邊三角形.當(dāng)任意一點(diǎn)S(x,y,z)處有聲音產(chǎn)生后,取麥克風(fēng)m1作為參考,則聲源到達(dá)其他3個(gè)麥克風(fēng)和麥克風(fēng)m1的時(shí)間差分別為Δt21、Δt31和Δt41.假設(shè)當(dāng)?shù)氐穆曀贋関,則各麥克風(fēng)之間的聲程差分別為d2-d1=vΔt21,d3-d1=vΔt31和d4-d1=vΔt41.則有{√(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2-√(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=vΔt21?√(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2-√(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=vΔt31?√(x-x4)2+(y-y4)2+(z-z4)2-√(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2=vΔt41.(1)?????????????????????????(x?x2)2+(y?y2)2+(z?z2)2??????????????????????????√?(x?x1)2+(y?y1)2+(z?z1)2??????????????????????????√=vΔt21?(x?x3)2+(y?y3)2+(z?z3)2??????????????????????????√?(x?x1)2+(y?y1)2+(z?z1)2??????????????????????????√=vΔt31?(x?x4)2+(y?y4)2+(z?z4)2??????????????????????????√?(x?x1)2+(y?y1)2+(z?z1)2??????????????????????????√=vΔt41.(1)取m2、m3的連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)圖1中的麥克風(fēng)的空間坐標(biāo)關(guān)系m1(0,0,0),m2(-r/2,√3r/6,√6r/3),m3(-r,0,0),m4(-rm1(0,0,0),m2(?r/2,3√r/6,6√r/3),m3(?r,0,0),m4(?r2,-√3r2,?3√r2,0),方程組(1)可化為{√(x+r/2)2+(y-√3r/6)2+(z-√6r/3)2-√x2+y2+z2=vΔt21,√(x+r)2+y2+z2-√x2+y2+z2=vΔt31,√(x+r/2)2+(y+√3r/2)2+z2-√x2+y2+z2=vΔt41.(2)其中,√x2+y2+z2又是聲源到原點(diǎn)的距離,假設(shè)聲源到m1的實(shí)際距離為R,由于時(shí)延估計(jì)誤差的存在,導(dǎo)致R-√x2+y2+z2=0在實(shí)際中并不嚴(yán)格成立.利用Matlab解方程組(2)可以得到聲源的理論坐標(biāo).這里設(shè)F(s)=R-√x2+y2+z2,當(dāng)F(s)有最小值時(shí),√x2+y2+z2和理論值誤差最小.假設(shè)√x2+y2+z2∈(0,50),在50m的搜索半徑內(nèi)根據(jù)系統(tǒng)的精度要求和DSP芯片的適時(shí)處理能力,以步長(zhǎng)0.5逐點(diǎn)求F(s),當(dāng)√x2+y2+z2=a時(shí),F(s)可以得到最小值,然后再取√x2+y2+z2∈(a-0.5,a+0.5),以更小的步長(zhǎng)求F(s),反復(fù)進(jìn)行就可以得到比較準(zhǔn)確的√x2+y2+z2,這樣就得到了較準(zhǔn)確的聲源坐標(biāo).由于DSP的高速性能,比起以往的算法,C5416可以實(shí)時(shí)地處理更小的步長(zhǎng),所以為了提高精度,初始步長(zhǎng)比以往減小了一半.不過由于各麥克風(fēng)之間的空間距離的限制,初始步長(zhǎng)如果選擇過小,系統(tǒng)誤差并不會(huì)因此減小,反而會(huì)延長(zhǎng)處理的時(shí)間.2基于4基于4基于0.25.2聲源的采樣Simulationanalysis仿真實(shí)驗(yàn)采用單個(gè)聲源,播放一首事先準(zhǔn)備好的男聲詩歌朗誦作為聲源.當(dāng)時(shí)聲速取340m/s,信噪比為10dB.麥克風(fēng)之間的距離為10cm,采樣頻率為10kHz.4個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)都需要進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè),從而確定每2個(gè)麥克風(fēng)接收到的同為語音信號(hào)的數(shù)據(jù)段,然后在這些語音段進(jìn)行時(shí)延計(jì)算.麥克風(fēng)與聲源距離為(0～10m),空間搜索步長(zhǎng)為0.5cm.麥克風(fēng)坐標(biāo)分別為m1(0,0,0),m2(-5,5√3/3,10√3/3),m3(-10,0,0),m4(-5,-5√3/2,0).圖2給出了聲源真實(shí)點(diǎn)和估計(jì)點(diǎn)對(duì)比結(jié)果.由圖2可知,這種基于4麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)有著很好的精確性,能較好地估計(jì)出聲源的位置.3dsp模塊Hardwareimplementation算法的處理硬件選擇的是合眾達(dá)電子技術(shù)有限公司的SEED-DEC5416開發(fā)板,這款開發(fā)板主要集成了DSP、SRAM、FLASH、CODEC、UART、USB等外設(shè)以及擴(kuò)展總線.C5416這塊DSP芯片具有低功耗、穩(wěn)定性好、運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以方便地處理音頻信號(hào).圖3為硬件定位系統(tǒng).從圖3可以看出,4個(gè)麥克風(fēng)采集的聲源信號(hào)通過串口RS232送入TLV320AIC23B進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后信號(hào)通過多通道緩沖型同步串口McBSP送入DSP進(jìn)行算法處理,處理結(jié)果輸出給顯示終端LED屏,從LED中可以直接讀出聲源的三維坐標(biāo).整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制有CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice,復(fù)雜可編程邏輯器件)完成,SRAM(StaticRAM)用來存放較大的數(shù)據(jù).另外,還可以通過開發(fā)板上的HPI擴(kuò)展總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信.4聲源定位算法的應(yīng)用和發(fā)展Concludingremarks本系統(tǒng)模型可以給出不錯(cuò)的定位效果,硬件實(shí)現(xiàn)也不復(fù)雜,比以往無限多麥克風(fēng)三維定位系統(tǒng)極大地減小了尺寸.選用DSP芯片處理