基于智能音箱平臺(tái)的室內(nèi)聲波定位系統(tǒng)
作者：陳亦捷 張嘉睿 軟件學(xué)院
指導(dǎo)老師：王繼良 軟件學(xué)院
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 聲源定位
摘要
本作品提出了一種應(yīng)用在室內(nèi)場(chǎng)景下的聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用麥克風(fēng)陣列技術(shù)對(duì)聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤定位。針對(duì)已有在智能音箱上的麥克風(fēng)陣列定位精度差，定位受噪聲干擾大，定位實(shí)時(shí)性不高等問(wèn)題，本作品通過(guò)硬件和軟件方面的改進(jìn)在一定程度上解決了相關(guān)問(wèn)題。
應(yīng)用背景
隨著基于位置的服務(wù)的應(yīng)用潛力的不斷發(fā)展，室內(nèi)定位系統(tǒng)正迅速成為定位技術(shù)研究的新領(lǐng)域。同時(shí)基于位置的服務(wù)以及室內(nèi)定位系統(tǒng)已經(jīng)被越來(lái)越多的嵌入式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所支持，這將給人們的生活提供了更大的便利。這些技術(shù)在智能家居，安防監(jiān)控以及導(dǎo)航追蹤方面有著廣泛的應(yīng)用前景。已有的智能音箱系統(tǒng)在麥克風(fēng)陣列技術(shù)的幫助下對(duì)于周圍的聲場(chǎng)環(huán)境具有了一定的感知能力，但是由于傳統(tǒng)集中式陣列系統(tǒng)的物理特性限制，其對(duì)于周圍聲源定位與追蹤能力非常有限。
圖1 定位應(yīng)用場(chǎng)景
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
我們系統(tǒng)的主要原理分為三個(gè)階段：對(duì)于麥克風(fēng)陣列輸入的音頻數(shù)據(jù)，通過(guò)互相關(guān)方法計(jì)算到聲波到達(dá)麥克風(fēng)的時(shí)間差(TDOA);通過(guò)基于TDOA的到達(dá)角算法對(duì)聲源方向進(jìn)行確定;利用多組陣列的多組角度信息就可以對(duì)聲源的三維位置進(jìn)行確定。我們改進(jìn)的聲源定位系統(tǒng)主要在三個(gè)方面對(duì)已有的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)：陣列設(shè)計(jì)、噪聲影響消除、定位實(shí)時(shí)性。
我們通過(guò)重新設(shè)計(jì)麥克風(fēng)陣列構(gòu)型，利用自身設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的收集，通過(guò)改進(jìn)的定位算法提高了定位精確度。在噪聲消除方面，我們通過(guò)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分段預(yù)處理提取有效片段，結(jié)合定位結(jié)果的離群值識(shí)別及濾波算法減少了噪聲干擾。在實(shí)時(shí)定位方面，我們通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)匹配多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，達(dá)到了秒級(jí)的實(shí)時(shí)跟蹤性能。
圖 2 系統(tǒng)原理
圖 3 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)成果
本作品在軟件和硬件方面都實(shí)現(xiàn)了一套聲源定位解決方案：在軟件層面上，我們構(gòu)建了前端演示框架與后端算法定位平臺(tái)；在硬件層面上，我們獨(dú)立設(shè)計(jì)了一套麥克風(fēng)陣列數(shù)據(jù)收集板及相關(guān)組件，并以此構(gòu)建了用于測(cè)試的麥克風(fēng)陣列。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了了不同陣列及不同距離下的定位誤差，我們構(gòu)建的系統(tǒng)在應(yīng)用層面上可以滿足室內(nèi)場(chǎng)景下語(yǔ)音定位的需求。
圖 4 角度誤差
圖 5 定位誤差
