基于智能音箱平臺的室內(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)對聲源進(jìn)行實時的跟蹤定位。針對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，定位實時性不高等問題，本作品通過硬件和軟件方面的改進(jìn)在一定程度上解決了相關(guān)問題。
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。同時基于位置的服務(wù)以及室內(nèi)定位系統(tǒng)已經(jīng)被越來越多的嵌入式設(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)的幫助下對于周圍的聲場環(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，其對于周圍聲源定位與追蹤能力非常有限。
圖1 定位應(yīng)用場景
系統(tǒng)設(shè)計
我們系統(tǒng)的主要原理分為三個階段：對于麥克風(fēng)陣列輸入的音頻數(shù)據(jù)，通過互相關(guān)方法計算到聲波到達(dá)麥克風(fēng)的時間差(TDOA);通過基于TDOA的到達(dá)角算法對聲源方向進(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)主要在三個方面對已有的實現(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)：陣列設(shè)計、噪聲影響消除、定位實時性。
我們通過重新設(shè)計麥克風(fēng)陣列構(gòu)型，利用自身設(shè)計的硬件設(shè)備進(jìn)行信號的收集，通過改進(jìn)的定位算法提高了定位精確度。在噪聲消除方面，我們通過對聲音信號進(jìn)行分段預(yù)處理提取有效片段，結(jié)合定位結(jié)果的離群值識別及濾波算法減少了噪聲干擾。在實時定位方面，我們通過中心節(jié)點匹配多節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，達(dá)到了秒級的實時跟蹤性能。
圖 2 系統(tǒng)原理
圖 3 硬件設(shè)計
系統(tǒng)成果
本作品在軟件和硬件方面都實現(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；在硬件層面上，我們獨立設(shè)計了一套麥克風(fēng)陣列數(shù)據(jù)收集板及相關(guān)組件，并以此構(gòu)建了用于測試的麥克風(fēng)陣列。通過實驗對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)場景下語音定位的需求。
圖 4 角度誤差
圖 5 定位誤差
