[发明专利]基于麦克风阵列的室内定位与建图方法

说明书

本发明公开了一种基于麦克风阵列的室内定位与建图方法，该方法是先在室内不同位置分别布置麦克风阵列和单个声源，发声采集后提取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；然后根据AIRs反映的直达信号，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；再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，构建室内二维轮廓地图。相对传统同类声传感室内建图系统而言，本发明方法不仅达到建图需求，还避免多次测量，提高了重构性能，在简化测量和提高反射面估计的抗噪性的同时，也保证计算速度。

技术领域

本发明涉及定位与建图方法，具体是基于麦克风阵列的室内定位与建图方法。

背景技术

随着基于用户位置信息的相关技术的应用和发展，位置服务(LBS，LocationBased Services)又称定位服务，已经成为人们日常工作、生活所必须的一项基本服务需求。实际上，室内环境的几何模型和地图对于诸如室内定位、机器人导航等LBS应用至关重要。对于室内地图未知的情况下，可以利用包含室内几何信息的视觉、电磁或声学信号构建室内地图。

声学信号在室内的反射等一定程度上反映了室内布置和地图信息，且相比电磁波、光波拥有更低的波速，测距更加精准，且成本低，在室内环境中易于布置和移动，被大量应用于室内定位和建图等各个领域中。国内外目前较为成熟的声传感室内建图技术主要是基于机器人平台的即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)，因为其过高的成本和特定的条件依赖，未能得到推广。

基于麦克风阵列的室内定位和建图技术优点在于无需预布置其它基础设施，且声信号相对于其它信号更容易生成和处理。麦克风阵列在时域和频域的基础上增加了空间域，避免采用其它移动测量方式时产生的累积位置误差，增强了对声音信息的处理能力，提高定位及重构性能。此外，几何声学领域提出：混响房间环境下若声波发出大量声线，声线碰到壁面后作镜像反射，那么在接收处得到的室内脉冲响应由直达和各阶反射声脉冲组成，称为AIR。AIR中的各阶脉冲的到达时间(Time of Arrival,TOA)信息反映了有关声源位置、房间分布的距离和几何信息，因此可以用于室内定位和建图。

已有部分单发单收或自发自收的室内建图系统，对于单一反射面的估计需要单声源移动测量多次，此位移过程中累积位置误差降低了其定位与重构性能；少数文献则主要根据虚声源镜像模型的几何约束对反射面进行估计，受噪声影响较大。

发明内容

针对现有室内空间几何建图技术普遍存在较高设备依赖性及高计算复杂度等缺点，本发明利用声源与麦克风阵列采集声信号计算AIRs，并利用AIR和麦克风阵列之间的几何距离信息求出声源与反射面位置，构建室内二维轮廓地图，不仅达到建图需求，还避免多次测量，提高了重构性能。

实现本发明目的的技术方案是：

基于麦克风阵列的室内定位与建图方法，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TDOA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；

(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。

步骤(1)所述AIR计算及峰值检测方法，包括如下步骤：