基于麦克风阵列声源定位的发展历程及关键技术

回顾了基于麦克风阵列的声源定位系统的发展历程,对声源定位关键技术进行了讨论,分析了现有算法并对各算法的优缺点进行比较,文章的最后对麦克风声源定位技术的难点进行了概述,为进一步研究麦克风阵列信号处理奠定基础。     

基于TDOA麦克风阵列声源定位技术

随着科技的进步和发展,声源定位技术已经成为人们研究的重要课题之一。基于声达时间差(TDOA)是阵列语音信号处理的核心技术,其作用是估算出同一声源信号到达不同麦克风时,因为传输的距离不相同而引起的时间差。麦克风阵列对于室内环境噪声抑制、声源定位、跟踪这些方面都比单个麦克风有优势,从而优化语音信号采样质量。该文主要讲的是用麦克风阵列和时延估计声源定位方法对声源进行定位及跟踪。     

基于自适应有限差分粒子滤波的说话人跟踪

针对非线性说话人跟踪系统,提出一种基于自适应有限差分粒子滤波算法的麦克风阵列声源定位与跟踪方法.该方法在改进的粒子滤波框架内,采用适应性较强的布朗运动模型,通过计算麦克风阵列波束形成器的输出能量来构建似然函数,有效降低观测误差的不确定性对说话人位置估计的影响,一定程度上提升了说话人跟踪系统的精度.实验结果表明,该方法在基于麦克风阵列的说话人跟踪系统中具有较高的精确性.     

麦克风阵列声源定位中时延估计的改进

时延估计是阵列信号处理中的关键技术,是麦克风阵列声源定位系统中常用的方法.影响麦克风阵列声源定位性能的因素有很多,混响就是其中之一.通常麦克风阵列定位系统多处于室内环境中,除了其他干扰噪声和环境噪声的影响外,声源本身经过环境反射造成的混响也会对其性能造成较大的影响.本文在互相关原理的基础上,综合两种不同的频域加权算法,PATH加权和ML加权进行改进,弥补了原算法不能同时稳健噪声和混响的不足,并得到多种环境下的最优q值,降低了多径效应对估计阵元间的相对时间延迟的影响,提高了时延估计的准确率和声源定位精度.实验结果证实了新方法的时延估计准确率高和最优q值的有效性.     

基于时延估计的麦克风阵列一致性分析

基于麦克风阵列的声源定位技术广泛应用于现场录音及会议通信等领域.常用的麦克风阵列声源定位技术中,时延估计是一种硬件成本低、计算量小且易于实现的算法.影响麦克风阵列时延估计的因素很多,麦克风阵列阵元的一致性性能是其中之一.基于相位变换的广义互相关算法,提出了一种新的麦克风阵列阵元一致性估计指标.构建3组阵元一致性指标不同的麦克风阵列,开展了对实际声源的角度估计.计算麦克风阵列对声源角度的估计时延和声源角度的理想时延之间的差值,建立了其与声源角度估计误差的方差关系,提出了基于时延估计误差的麦克风阵列阵元一致性估计指标,并验证了该指标在麦克风阵列阵元选择上的实际指导意义.     

基于正则化粒子滤波的说话人跟踪方法

针对噪声与混响环境下的说话人跟踪问题,提出一种基于正则化粒子滤波(RPF)的麦克风阵列声源定位与跟踪方法.该方法在正则化粒子滤波框架下,采用适应性较强的布朗运动模型,通过计算麦克风阵列波束形成器的输出能量来构建似然函数.实验结果表明,本文方法优于标准粒子滤波,有效提高了说话人声源跟踪系统的抗噪声与抗混响能力,即使在低信噪比(SNR=-5dB)情况下,也能有效跟踪.     

实时视频定位的麦克风阵列参数初始化算法

针对移动机器人近场声源定位中,需要实时获取声源目标与麦克风阵列中心相对位置和角度的问题,提出一种基于视频定位的室内声源位置测量算法,实时地为麦克风阵列提供初始化参数,为移动机器人快速建立室内近场声源环境认知实现辅助功能。该方法利用A4纸打印的位置定位板,通过摄像头采集视频数据,逐帧寻找角点后搜索定位板中心点和顶点,以此计算出麦克风阵列到声源的实际距离和方位角度。经仿真实验分析,该算法能够在室内环境中实时快速地测量声源目标位置,为机器人后续语音定位、识别与跟踪提供辅助与校准功能,具有较强的工程实用价值。     

噪声下基于耳蜗基底膜分频特性的声源定位

在人与人交流中,人耳能很好地定位出周围声音的位置,而在声源定位技术里,基于传统麦克风声源定位在噪声环境下无法精确地定位出声源.根据人耳能准确地辨别出声源这一特性,提出一种在噪声下基于人耳耳蜗基底膜分频特性的声源定位方法.该方法是利用多个麦克风对声源信号进行采集,将采集到的信号通过基底膜滤波器进行滤波、除去与声源无关的噪声,运用空间映射互相关方法对声源进行定位.该方法所定位出的声源位置比传统声源定位技术所定位的位置误差小、精准度高.实验结果表明,噪声环境下基于耳蜗基底膜分频特性的声源定位比基于传统麦克风声源定位技术更接近声源的真实位置;噪声环境下基于耳蜗基底膜分频特性的声源定位具有更高的精度与更好的鲁棒性.     

基于正四面体结构的声源定位装置的设计与研究

智能机器人工作环境是多维立体环境,利用听觉信息对特定目标实现定位与追踪始终是该领域内的关键研究方向。结合项目研究需要,介绍了正四面体麦克风阵列的信号模型以及时延值计算过程,提出了一种改进的互功率谱相位时延估计算法,所设计的装置创新性地将4个全向型麦克风构建成正四面体阵列,利用NIUSB-9215A完成四路声信号同步采样,基于声达时间差原理以及广义互相关算法,在LabVIEW平台上完成算法设计、图形编程,最终实现了性能可靠、定位准确的声源定位系统。     

基于球麦克风阵列的三维空间多声源定位

由于球麦克风阵列本身结构的特殊性,目前它广泛的应用于声场录制、波束形成、声场重现和声场分析等等领域.利用球麦克风阵列的对称性进行三维空间的多声源定位,和传统的声源定位方法不一样,通过分析声波传播的物理特性,采用球谐函数声场分解的方法,研究和探讨了离散的球麦克风阵列求解多声源情况下球散射声场球谐系数的方法,同时采用球傅立叶变换的方法分析了多声源情况下声场的指向性因子的变化情况,并由该指向性因子的等高线图确定了三维空间中的各个声源方向.同时还大致分析了麦克风阵列的离散化所导致的声场分解的误差,讨论了麦克风阵列的大小、麦克风位置以及声场分解模态的高低对声源定位精度的影响,最后采用了遗传算法对球麦克风阵列的麦克风位置进行设计和优化,提出了在有实际应用条件限制下设计优化球麦克风阵列的一种方法.计算机模拟表明,基于声场球谐系数求解和球傅立叶变换的方法可以同时有效的确定三维空间中任意方向的多个声源的方向.     

动态环境下基于SVR-PSO的多机器人气味源定位方法简

研究具有风速变化的动态环境下气味源定位问题,提出一种基于支持向量回归和微粒群优化的多机器人气味源定位方法。以当前时刻机器人的位置为输入,以机器人所测的气味浓度值为输出,利用支持向量回归,建立机器人所在位置气味浓度的预测模型;采用改进微粒群优化方法定位气味源时,以气味浓度最大的机器人所在的观测窗内,基于预测模型得到的气味浓度最大值的所在位置作为微粒的全局极值,以当前机器人的位置作为微粒的个体极值,完成微粒的更新;根据机器人所测的气味浓度值,定位气味源。将所提方法应用于2个气味源定位场景,实验结果表明所提方法能够在短时间内成功定位气味源。     

一种WSN环境下多机器人协作式声源定位方法

研究多机器人协作式任务执行具有现实意义。针对目前机器人声源定位算法不能满足多机器人协作式搜寻声源的场合,提出一种无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)环境下的多机器人窄带声源定位方法。该方法根据接收信号强度对多个机器人的全局坐标进行测距定位,利用到达时间差(Time Difference of Arrival,TDoA)定位方法估计机器人与声源的相对距离,并结合全相位傅里叶变换(all-phase FFT,apFFT)算法提高相对距离的估计精度,最后通过测距定位算法得到声源的全局坐标值。在4个WSN节点和3个机器人组成的系统中进行方法测试,实验结果表明：该方法能实现三机器人协作式的声源定位任务,定位准确率较高,可满足搜救场合中声源定位的要求。     

面向飞机柔性装配的航空制孔实验平台

自动钻铆技术是新一代飞机数字化柔性装配研制的关键技术之一。随着我国ARJ21和C919大飞机的研制,将钻铆技术和智能机器人控制相结合,解决低成本、柔性且满足高质量制孔要求的柔性轨道航空制孔问题的需求越来越迫切。为了使学生能够了解飞机自动钻铆与机器人机构和控制的原理及基本设计方法,设计并实现了基于柔性轨道的航空制孔实验平台。本文主要介绍了实验平台的硬件环境、软件控制框架、机器人控制的设计流程和实验测试方法。该实验平台在实验教学中取得了良好的效果,通过提出自动钻铆与机器人智能控制的实验契合点,在一定程度上提升了飞机装配中的自动制孔的教学水平,有助于培养具有良好自动制孔机器人开发能力的复合型人才。     

基于插补算法的大型喷浆机器人轨迹规划

针对施工现场及机器人的实际情况，介绍了大型喷浆机器人在自动控制方式下基于插补算法的轨迹规划。实际应用表明，用该方法对机器人进行轨迹规划完全能满足喷浆工艺的要求。     

基于奥米亚棕蝇听觉定向机制声定位系统仿生学设计

在研究奥米亚棕蝇定位机制的基础上,首先运用传递函数方法设计了一种仿生三维声定位电学装置,为此搭建了4种电路原型,电路原型由测量单元与耦合单元组成,最后讨论并优化了与提高灵敏度相关的参数。理论分析和仿真结果表明,所设计的声定位电学装置与其他装置相比,具有尺寸小、定位精度高等优点,可为进一步研究奥米亚棕蝇这种精确感知声源的能力及其对波达角的高精度定位应用提供参考。     

履带式移动机器人无线控制的实现

以一种履带式移动机器人作为控制平台,利用无线收发一体数字传输MODEM模块PTR2000芯片抗干扰能力较强的FSK调制/解调原理,通过移动机器人身上单片机对机器人各个关节步进电机的控制,实现了移动机器人与PC之间数据的无线传输;采用微波开路电视传输系统MTVT 91卫星通讯传输技术,完成了对图像的实时传输。成功地实现了履带式移动机器人的无线控制,以及对远程机器人的实时监控。     

平面环绕声的多声道扩展与效果分析

对现有的多种家庭三维声系统进行理论分析,提出一种新的五声道平面环绕声的多声道扩展算法.在主观听音实验的基础上,分别对五声道重放模式和多声道重放模式进行沉浸感、临场感、声像准确性、声音层次感以及空间感等5 个参数的主观偏爱度评分,分析两种模式下的听感效果.     

异构双腿机器人步态规划与控制实现

为了给智能仿生腿的开发提供一个理想的研究平台,提出了异构双腿行走机器人(BRHL)这一全新的类人机器人模式.首先阐述了BRHL的概念及研究意义,然后基于分割建模思想给出了BRHL的协调动力学模型.提出了修正的Sigmoid磁流变阻尼器建模方法并进行了实验建模.详细阐述了基于步态跟随的BRHL步态规划方法并进行了仿真.最后给出了BRHL的控制系统设计,利用Pro/E,ADAMS及MATLAB/Simulink对BRHL进行了虚拟样机联合控制仿真.仿真结果表明,基于MR阻尼器控制的仿生腿能够很好地实现对人工腿的步态跟随.     

基于视觉目标跟踪的侦察机器人导航方法

针对未知环境下侦察机器人的自主导航问题,提出了一种基于视觉目标跟踪的侦察机器人导航方法.首先利用二进制鲁棒独立元素特征(BRIEF)提取方法来检测和描述待跟踪视觉目标的局部不变特征点,在快速的特征匹配计算基础上提出由粗到精的目标定位两步法实现机器人导航过程中视觉目标的实时准确跟踪.其次对基于视觉目标跟踪的自主导航任务进行行为分解和实现,在行为中集成视觉目标跟踪算法.最后利用基于宏行为的机器人事务执行机制实现移向视觉目标的自主导航控制.实验结果表明,提出的方法能够使侦察机器人实时准确地跟踪视觉引导目标,在复杂障碍物环境下可靠地完成移向目标的自主导航任务.