简易空间声源定位与指示系统的设计.doc

PAGE PAGE 3 第1章 课题背景 1.1 课题的研究背景及意义 20世纪初，声源定位系统主要利用雷达或声呐技术进行定位，通过雷达声呐向周围发射信号，再通过接收目标声源反射回的信号来实现定位。但因为是依靠自身发出信号来获知目标的具体位置，因此定位系统的隐蔽性不好，容易暴露自身位置，尤其在军事领域的应用中存在很大的弊端[1]。 21世纪之后，随着人工智能领域的不断发展，声源定位技术不断发展，并广泛应用于人类活动的各个领域。其中基于麦克风阵列的声源定位技术相对于原有的依靠雷达声呐定位而言隐蔽性明显提高[2]。这项基于麦克风阵列的声源定位技术目前也已广泛应用于各个领域中，在人工智能领域，可完成机器人听觉的设计与实现；在人类的生产生活，尤其是一些无法通过视觉进行定位识别的场合，如用于消防救援因为烟雾导致视觉受阻的情况，可通过识别声源的方式判断待救援人员的具体位置；用于城市交通系统，可对违规鸣笛的车辆进行定位，拍照取证。而基于人耳的声源定位系统则是模拟人耳的功能用人的思维模式进行声源定位，目前主要用于人工智能领域的研究[3]。 声源定位技术对人类当今的生产生活应用广泛，尤其是基于麦克风阵列的声源定位系统具有极高的实用价值，因而它已成为我国以及其它国家近年来的研究热点，人类迫切需要更易行有效的声源定位系统为人服务[3]。本文便是采用麦克风阵列，基于单片机作为核心处理芯片的系统设计来实现对声源的定位，因此，本系统对现实生活有着很高的实用性。 1.2 国内外研究现状 国外较早对声源定位技术展开了各项研究，并且已取得较多的技术成果。在军事领域，一些发达国家的军队投入使用了被动式声源探测系统，这些系统均可用于探测各种军事信息，如探测枪弹的方向，射程等情况[4]。在生活领域，也已将麦克风阵列声源定位技术运用到了室内会议场景中，以此提高信号源的抗干扰能力。1996年，Silverman教授和Brandstein教授共同参与，将原本用于声呐和雷达探测定位的阵列信号处理技术应用到声源定位中[5]。之后，基于麦克风阵列的声源定位技术得以广泛应用，如装有麦克风阵列的四旋翼飞行器可用于在救援场合尤其是在黑暗、杂乱或烟雾弥漫的环境中寻找受害者，定位系统轻巧易行，可有效减少噪声干扰，准确定位声源。在市场中各类产品也有应用此项技术，2001年，美国波音公司利用麦克风阵列制造了一架“声学照相机”。在该相机上，采用螺旋式麦克风构造麦克风阵列，用于采集飞机起飞时产生的噪声实现对噪声的检测和处理[6]。2003年，索尼公司将麦克风阵列安置在机器人的头部，实现对听觉的仿真。 较国外而比，我国国内与声源定位技术方面相关的研究起步较晚，但也有一定的发展，获得了不错的研究成果。2007年，我国泛华测控推出了首个“声音照相机”。该照相机不但能够对声源目标实现准确的定位，而且还增加了声音识别功能。此外，我国的其高科技成功将麦克风阵列运用于声相仪，研制出了声学相机Key VES[7]。这种声相仪利用阵列信号处理算法可以生成声音在一个平面上的声压级分布，并且通过彩色的等高线的形式来呈现、实现了声音的可视化。该仪器在故障诊断、噪声测试和轨迹跟踪定位等领域有着很大的应用前景。2009年，哈尔滨工程大学的靳晓强研究分析了麦克风阵列声源定位技术在移动机器人语音定向方面的应用。在嵌入式平台下实现了一套语音定向系统，并利用该系统验证分析了几种定位算法的可行性[8]。2016年，西北工业大学航海学院利用基于双通道空间脉冲响应匹配的声源定位方法实现对舱室内声源的定位。2017年，中国科学院声学研究所利用28个水听器组成的传感器阵，基于机器学习算法的实现对水下声源的定位[9]。 近几年，随着人工智能的发展，以及在人类生活中的不断应用，基于麦克风阵列的声源定位技术已应用于智能电视，智能机器人，以及在音箱及摄像头等设备中也有着智能化的应用[11]。如2014年，亚马逊公司的Echo智能音箱就应用了嵌有七个麦克风的阵列进行语音识别和定位功能的实现[21]。 由此可见，基于麦克风阵列的声源定位技术在国内外各个领域应用广泛而普遍，同时对于定位系统的研究还有着很大的发展空间，人类的实际生活和发展离不开该定位技术的不断改进，这也是本课题研究的初衷，更好的贴合实际的生活，在综合本科所学的专业知识的同时也有着很好的实用性[17]。 1.3全文研究内容及章节安排 本文为简易空间声源定位与指示系统的设计，文章主要结构如下： 第一章 本章简述简易空间声源定位技术的发展历程，对于现今社会的研究价值和在生产生活中的各项应用，并且就国内外研究现状进行了对比说明。 第二章 本章介绍了整体的系统设计方案以及各模块的选择。以自顶向下的设计理念，先探讨了整体方案，确定整体方案和总体设计框图以后，为个部分功能实现而选择合适的硬件，