[发明专利]基于麦克风阵列的室内定位与建图方法

权利要求书

1.基于麦克风阵列的室内定位与建图方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)AIR计算及峰值检测：在室内不同位置分别布置麦克风阵列和单个声源，发声采集后通过时频变换处理提取出一系列AIRs，通过AIRs反映出声源、麦克风阵列和墙体之间的不同距离关系；

(2)声源定位及TOAs估计：根据AIRs反映的声源与麦克风阵列距离的直达信号，采用直达波的TDOA方式进行定位，估计直达信号与各阶反射的脉冲到达时间TOAs；

(3)墙体反射面估计：根据声信号在室内环境传播模型中关于墙体一阶反射的几何关系，以声源和麦克风为焦点、AIRs中一阶反射脉冲代表的距离为长轴，构成与墙体相切的椭圆，求出墙体位置；

(4)构建室内二维轮廓地图。

2.根据权利要求1所述的室内定位与建图方法，其特征是：步骤(1)所述AIR计算及峰值检测方法，包括如下步骤：

1)对采集的原始音频序列进行预处理，得到适宜长度的音频信号r(n)，并通过带通滤波，抑制噪声干扰；

2)将得到的短时音频序列r(n)和发送序列s(n)做快速归一化互相关(fastnormalized cross correlation，FNCC)，得到初步AIR：

3)先包络检波，再通过匹配滤波器，将h_i(n)中脉冲附近的包围波纹均衡为易于选取时间采样的尖锐脉冲：

其中为直达波到达采样，N为脉冲响应近似长度。

3.根据权利要求1所述的室内定位与建图方法，其特征是：步骤(2)所述声源定位及TOAs估计方法是采用列文伯格-马夸尔特算法(Levenberg-Marquardt Algorithm,LMA)，其计算步骤如下：

1)确定已知参数：麦克风阵列位置坐标r_i，麦克风阵元到声源的TDOA距离

2)设定其它参数：多径信道的噪声功率矩阵初始迭代位置r_s⁽¹⁾；

3)基于最小二乘误差函数进行声源位置r_s的迭代更新计算：

其中Φ^T(r_s^(k))为Φ^T(r_s^(k))的雅克比矩阵；

4)在实际计算中，使用附加参数来判定是否收敛：

ρ^(k)＝(ε(r_s^(k))-ε(r_s^(k+1)))/(g^(k),T(A^(k)+λ^(k)I)^-Tλ^(k)(A^(k)+λ^(k)I)^-1g^(k)+g^(k)) (4)

若ρ^(k)>0则收敛，同时更新阻尼参数若发散则不进行更新，进而增大阻尼参数λ^(k+1)的值。

4.根据权利要求1所述的室内定位与建图方法，其特征是：步骤(3)所述墙体反射面估计基于声源、麦克风阵列与墙体之间的椭圆几何约束关系，其计算步骤如下：

1)对于声源与每个麦克风的收发组合，从其AIR中一阶反射对应脉冲得到其关于墙体的反射距离。由此三要素便可得到与墙体相切的椭圆约束表示矩阵C_i；

2)联合单声源与麦克风阵列的一系列椭圆约束组合，基于最小二乘思想设立关于这组椭圆公切线l＝[l₁,l₂,l₃]^T(即墙体)的成本函数：

3)解得墙体位置的二维直线表示：