[发明专利]一种声源定位装置

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及应用声波通过确定多个方向的配合来定位的装置，具体地说是一种声源定位装置。 

背景技术

现今，随着仿生技术应用领域的不断扩展，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多研究领域的重要课题。可以说，听觉是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人-机-环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集系统中，听觉可以与视觉相配合弥补其视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定位声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定位装置在医疗、服务和军事等诸多领域都具有重要的应用价值。 

现有的声源定位装置大都只能够在没有背景噪声的理想环境下对声源目标进行定位，而且其在结构上冗余复杂。由于声波非常敏感，被测量的声场很容易受到测量装置本身的干扰，从而影响测量的精度。若麦克风阵列中传感器的数量较多、结构较复杂，不仅需要较高的制作成本，而且会直接影响到声波的自由扩散，严重时会导致测量结果的错误。另外，在三维空间中由于受到俯仰角和距离等因素的影响，对声源目标的定位精度会产生较大误差。CN201166703报道的“公路声源定位控制系统”，采用五元五面体的阵列结构，其定位精度只有在大俯仰角的远场情况下才比较理想，无法实现在三维空间中对任意位置声源的准确定位。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种声源定位装置，是三维空间声源目标定位装置。该声源定位装置实现了在三维空间中对任意位置声源的准确定位，由此构建全方位的“听觉场景”，其结构简单、精度较高，且具有抗噪能力。 

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种声源定位装置，是三维空间声源目标定位装置，由听觉传感器、声源信号微处理器和上位机系统三部分构成，其中，所述听觉传感器是四元正四面体结构的麦克风阵列，四个麦克风分别位于该正四面体结构的四个顶点；所述声源信号微处理器由声音信号放大模块、分析锁存模块和通信传输模块构成；所述上位机系统由定位计算方法和外围设备构成。听觉传感器与声源信号微处理器之间的硬件部分、声源信号微处理器与上位机系统之间的硬件部分、声音信号放大 模块和分析锁存模块之间的硬件部分、分析锁存模块和通信传输模块之间的硬件部分均用导线相互连接。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构是用硬质材料做成的正四面体构架，其尺寸是四面体的边长为24.14cm。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构的麦克风阵列中所用的麦克风是全向型电容式麦克风。 

上述一种声源定位装置，所述四元正四面体结构的麦克风阵列中所用的麦克风是全向型电容式麦克风类型中的柱极式麦克风。 

上述一种声源定位装置，在所述声源信号微处理器中：声音信号放大模块包括集成运算信号放大器、增益调整电位器和信号指示灯；分析锁存模块主要包括电压比较器、触发器和单片机，其电路构成如图5所示；通信传输模块是串口通信设备。 

上述一种声源定位装置，所述声源信号微处理器中分析锁存模块的操作程序流程是： 

第一步，上电后，对单片机中的存储器和寄存器中各个数据进行初始化，初始化完成后转第二步； 

第二步，启动单片机的可编程计数器，并设置CPU时钟频率为2.7648MHz，完成后转第三步； 

第三步，周期循环查询触发器是否有电平变化，若触发器电平无变化则返回周期循环查询，当触发器电平发生变化时，记录电平变化的时间并存储，也即是可编程计数器的对应数值，完成后转第四步； 

第四步，停止可编程计数器并存储数据，完成后转第五步； 

第五步，通过串口通信设备，将单片机存储器中的数据发送到上位机系统，同时将触发器和单片机复位，完成后转入第二步。 

上述一种声源定位装置，所述上位机系统中的定位计算方法如下： 

在如图10所示的正四面体阵列的结构中， 

正四面体的四个顶点S₁、S₂、S₃和S₄分别为四个麦克风，O既为笛卡尔坐标系的原点，同时也是正四面体底面的中心，设Q为目标点，坐标为Q(x，y，z)，坐标原点到目标点OQ的距离为r，OQ在XOY平面的投影为OQ’，定义OQ’与x轴的夹角为α，OQ 与Z轴的夹角为β； 

假设S₁到坐标原点O的距离为a米，则四个麦克风的坐标分别为：