[发明专利]一种基于静态声源辅助的声阵列网络自定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种声阵列网络自定位方法，尤其涉及一种适用于在有限信标节点下，对节点定位精度要求较高而成本低的大规模声阵列网络场景的基于静态声源辅助的声阵列网络自定位方法。

背景技术

在声阵列网络中,节点本身的位置和朝向信息对整个网络至关重要,是进行数据融合和网络管理的基础。系统的性能不仅和目标检测识别或定位追踪算法的性能紧密相关,更取决于能否精确获得节点本身的位置和朝向信息。所以系统必须首先获取节点的位置和朝向信息,才能够采取进一步的措施进行数据融合。此外,为实现对整个网络有效管理,需要获取每个节点的位置信息,才以设计高效的有针对性的协议和组织结构(如MAC协议,路由协议,休眠调度,节点选择等)。目前已有的自定位方法很多，本发明关注的是一种基于静态声源辅助的声阵列网络自定位方法，适用于在有限信标节点下，对大规模声阵列网络自定位的场景。

传统的声阵列网络自定位方法中，主要是两种基本思路方法：第一种是根据信标节点与未知节点之间的距离或者DOA（Direction of Arrival，波达方向角）分别利用三角形测量法、最大似然估计等方法来估计未知节点的位置；第二种方法是利用移动信标（例如移动机器人）来实现未知节点的自定位。

现有的这两种声阵列网络自定位方法都有各自的不足之处。对于第一种方法，在信标节点有限的情况下，信标节点与未知节点之间的稀疏性较大，由于信标节点测量DOA的距离有限，这导致数据融合信息偏少，影响自定位精度以及自定位节点的覆盖率；如果增加信标个数，由于信标节点价格昂贵，导致定位的花费成本巨大。对于第二种方法，定位成本低，但是信标移动容易暴露目标，在复杂地理环境中移动信标会碰撞已经定位的节点，并且信标移动定位存在节点覆盖率低的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于静态声源辅助的声阵列网络自定位方法。

为了实现上述的目的，本发明采取如下技术方案：一种基于静态声源辅助的声阵列网络自定位方法，包括以下步骤：

（1）声阵列网络系统部署和初始化。

（2）根据声阵列网络中各阵元的信号相位差，估计声信号的波达方向角DOA。

（3）根据信标节点所测静态声源的DOA，利用数据融合方法估计静态声源位置。

（4）根据未知节点测量静态声源与信标节点的DOA，并利用最大似然估计方法实现未知节点自定位。

本发明的有益效果是，能够利用静态声源的辅助在有限的信标节点下实现声阵列网络低成本、高精度与高覆盖率自定位；尤其是在大规模未知节点而信标节点稀疏性很大的场景下具有非常巨大的优势。

附图说明

图1是本发明的基于静态声源辅助的声阵列传网络自定位方法部署图；

图2是本发明中利用MUSIC算法估计节点与静态声源的波达方向角示意图；

图3是本发明中采用信标节点估计静态声源位置的示意图；

图4是本发明中采用信标节点与目标辅助联合来定位未知节点的示意图；

图5是本发明中利用波达方向角和目标辅助的自定位效果图；

图6是本发明中静态声源数目对定位精度影响的示意图。

具体实施方式

本发明专利在原有的声阵列网络自定位基础上，利用廉价的静态声源的辅助，实现在有限信标节点下声阵列网络的自定位，降低了自定位成本，同时增加了自定位精度与节点自定位的覆盖率。

本发明基于静态声源辅助的声阵列传网络自定位方法，包括以下步骤：

1、声阵列网络系统组成、部署和初始化。

基于静态声源辅助的声阵列传网络自定位方法包括上位机和若干个装有GPS的无线声阵列节点（称为信标节点），大量廉价的静态声源（例如麦克风节点）以及无GPS的未知节点。无线声阵列节点和静态声源随机部署在监控区域中，根据声阵列网络自身特性、定位精度和监控范围，并综合传感器感知半径考虑，区域可设置为1km×1km，感知半径为150m；系统部署完成后进行系统初始化，初始化中实现无线声阵列网络的基本功能。系统部署如图1所示，声阵列网络与上位机之间进行无线通信。

2、根据声阵列网络中各阵元的信号相位差，估计声信号的波达方向角DOA。

通过各阵元接收到的声信号的相位差可以估算目标声源到达阵列的方向角。具体的实现可通过阵列信号处理技术完成，利用经典的MUSIC算法实现信号到达角度的估计值，如图2所示。

3、根据信标节点所测静态声源的DOA，利用数据融合方法估计静态声源位置。