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一種基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng)及方法與流程

文檔序號:12476028閱讀:來源:國知局

技術(shù)特征:

1.一種基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:包括信號接收模塊、AD采樣電路、信號預處理模塊、算法處理模塊和輸出模塊;

所述信號接收模塊為麥克風陣列,用于獲取聲源到各個麥克風的語音信號;

所述AD采樣電路,用于獲取各麥克風的語音采樣信號;

所述信號預處理模塊,用于預處理語音采樣信號;

所述算法處理模塊,用于根據(jù)語音采樣信號計算聲源位置;

所述輸出模塊,用于輸出聲源位置信息。

2.如權(quán)利要求1所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:所述麥克風陣列包括相互垂直設(shè)置的均勻線性子陣列A、均勻線性子陣列B和參考點麥克風;所述參考點麥克風設(shè)置于相互垂直設(shè)置的均勻線性子陣列A、均勻線性子陣列B的中間點。

3.如權(quán)利要求1所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:所述信號預處理模塊對語音采樣信號進行預處理是對采樣信號進行加窗操作得到加窗處理信號。

4.如權(quán)利要求1所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:所述算法處理模塊按照以下步驟來計算聲源位置:

根據(jù)加窗處理信號來判斷聲源位于采樣位置的前后方向;

根據(jù)加窗處理信號來判斷聲源位于采樣位置的左右方向;

根據(jù)聲源位于采樣位置的前后方向和左右方向來確定聲源的位置。

5.如權(quán)利要求4所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:所述算法處理模塊中聲源的位置是通過聲源定位方法來確定的,具體步驟如下:

S631:按照以下公式對語音采樣信號進行快速傅里葉變換得到聲源信號的幅度譜:

S(k)=FFT[sw(n)];

其中,S(k)為加窗信號sw(n)的傅里葉變換;

S632:根據(jù)得聲源信號的幅度譜按照以下公式計算聲源信號到各麥克風間的波程差:

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&beta;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>;</mo> </mrow>

其中,d1為一個周期內(nèi)聲源信號到麥克風M1與M2間的波程差;d2為一個周期內(nèi)聲源信號到麥克風M1與M3間的波程差;λ為聲源信號一個周期的波長,f為聲源信號頻率;β1=θ21為麥克風1與2間相位差;β2=θ31為麥克風1與3間相位差;θ1表示麥克風M1接收的聲源信號的相位;θ2表示麥克風M2接收的聲源信號的相位;θ3表示麥克風M3接收的聲源信號的相位;

S633:根據(jù)波程差按照以下公式計算聲源位置坐標:

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> </mrow>

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其中,(x,y)為聲源坐標,α為相鄰麥克風間距;

為聲源距行走裝置所載麥克風M1距離;

S634:根據(jù)聲源位置坐標按照以下公式計算聲源方位角:

聲源方位角

其中,α聲源方位角。

6.一種基于麥克風陣列的聲源定位跟隨方法,其特征在于:包括以下步驟:

S1:設(shè)置麥克風陣列;

S2:通過麥克風陣列來獲取聲源到各個麥克風的語音信號;

S3:對語音信號進行加窗操作得到加窗處理信號;

S4:對加窗處理信號判斷聲源位于采樣位置的前后方向和左右方向;

S5:根據(jù)聲源位于采樣位置的前后方向和左右方向來確定聲源的位置。

7.如權(quán)利要求6所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨系統(tǒng),其特征在于:所述聲源的位置是通過聲源定位方法來確定的,具體步驟如下:

S631:按照以下公式對語音采樣信號進行快速傅里葉變換得到聲源信號的幅度譜:

S(k)=FFT[sw(n)];

其中,S(k)為加窗信號sw(n)的傅里葉變換;

S632:根據(jù)得聲源信號的幅度譜按照以下公式計算聲源信號到各麥克風間的波程差:

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&beta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&beta;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>;</mo> </mrow>

其中,d1為一個周期內(nèi)聲源信號到麥克風M1與M2間的波程差;d2為一個周期內(nèi)聲源信號到麥克風M1與M3間的波程差;λ為聲源信號一個周期的波長,f為聲源信號頻率;β1=θ21為麥克風1與2間相位差;β2=θ31為麥克風1與3間相位差;θ1表示麥克風M1接收的聲源信號的相位;θ2表示麥克風M2接收的聲源信號的相位;θ3表示麥克風M3接收的聲源信號的相位;

S633:根據(jù)波程差按照以下公式計算聲源位置坐標:

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> </mrow>

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其中,(x,y)為聲源坐標,α為相鄰麥克風間距;

為聲源距行走裝置所載麥克風M1距離;

S634:根據(jù)聲源位置坐標按照以下公式計算聲源方位角:

聲源方位角

其中,α聲源方位角。

8.如權(quán)利要求6所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨方法,其特征在于:所述麥克風陣列包括相互垂直設(shè)置的均勻線性子陣列A、均勻線性子陣列B和參考點麥克風;所述參考點麥克風設(shè)置于相互垂直設(shè)置的均勻線性子陣列A、均勻線性子陣列B的中間點。

9.如權(quán)利要求6所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨方法,其特征在于:所述聲源位置按照以下步驟來計算:

S61:根據(jù)加窗處理信號來判斷聲源位于采樣位置的前后方向;

S62:根據(jù)加窗處理信號來判斷聲源位于采樣位置的左右方向;

S63:根據(jù)聲源位于采樣位置的前后方向和左右方向來確定聲源的位置。

10.如權(quán)利要求7所述的基于麥克風陣列的聲源定位跟隨方法,其特征在于:所述聲源位于采樣位置的前后方向是按照以下步驟來計算:

S611:獲取均勻線性子陣列A中位于中間點前后的麥克風與參考點麥克風的間距為α;

S612:獲取均勻線性子陣列A中位于中間點前后的麥克風的加窗處理信號;

S613:按照以下公式計算加窗處理信號的短時能量:

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>w</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中,N為窗函數(shù)的長度;xw表示加窗處理信號;n表示第n個加窗處理信號;m表示第m個加窗處理信號;

S614:比較位于中間點前后的麥克風的短時能量,如果位于中間點前的麥克風的短時能量大于位于中間點后的麥克風的短時能量,則聲源位于采樣位置的前方;如果位于中間點前的麥克風的短時能量小于位于中間點后的麥克風的短時能量,則聲源位于采樣位置的后方;

所述聲源位于采樣位置的左右方向是按照以下步驟來計算:

S621:獲取均勻線性子陣列B中各麥克風到參考點麥克風的間距為b;

S622:獲取均勻線性子陣列B中位于中間點左右的麥克風的加窗處理信號;

S623:按照以下公式計算加窗處理信號的短時能量:

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>w</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

S624:比較位于中間點左右的麥克風的短時能量,如果位于中間點左的麥克風的短時能量大于位于中間點右的麥克風的短時能量,則聲源位于采樣位置的左方;如果位于中間點左的麥克風的短時能量小于位于中間點右后的麥克風的短時能量,則聲源位于采樣位置的右方。

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