基于正四棱锥结构的机器人声源定位系统研究
发布时间：2021-10-29 00:04
针对当前声源定位精度不理想、实时性不佳等问题,提出了一种正四棱锥麦克风阵列声源定位结构。采用时间延迟估计的声源定位方法,并提出时延值的快速搜索策略;推导了该结构的基于信号时延的时空映射关系,建立了声源目标位置的几何计算模型,并依据正四棱锥结构特点及冗余的时延值对值域划分,缩小求解范围,运用迭代算法得到声源的位置坐标,并通过双重筛选机制剔除错误的定位结果。实验结果证明了该结构及定位算法在提高系统定位精度和实时性能方面的有效性,能满足机器人应用中对声源定位的需求。
【文章来源】：计算机应用研究. 2019,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
峰值搜索区间
?捎谑毖庸兰凭?鹊奈侍猓??3)不可能处于完全相等的状态，它们之间有一个误差的存在。b)针对a)中所提到的误差设定一个合理的阈值ε，其中ε值可根据系统定位精度的需求来设定，并进行下面不等式的判断:τij－(τik+τkj)≤ε(4)c)当不满足该不等式时，说明时延估计的偏差较大，则摈弃该组时延值;当满足条件时，则该组时延通过筛选，进而进行定位计算。1．3基于时间延迟估计的正四棱锥声源定位设计采用基于正四棱锥的三维麦克风阵列进行声源目标的定位。建立如图4所示的坐标系，m0～m4分别为五个麦克风且位于四棱锥的五个顶点之上，坐标分别为(xi，yi，zi)(i=0，1，2，3，4)，待求声源点G的坐标为(x，y，z)，声音在空气中的传播速度为vsound，声源点G到各个麦克风的距离分别为si(i=0，1，2，3，4);则目标声源到达其他麦克风的距离与到达m0的距离之差为di0=si－s0=vsoundτi0i=1，2，3，4(5)其中:τi0为声源到达mi与到达m0的时间差。图4正四棱锥声源定位示意图由图4的空间几何关系可建立声源定位数学模型如下:si=(x－xi)2+(y－yi)2+(z－zi)槡2s0=(x－x0)2+(y－y0)2+(z－z0)槡2di0=si－s0(i=1，2，3，4)(6)2基于迭代优化的声源位置计算式(6)中的任意三个方程联立，均可求解出声源的位置坐标。考虑到实际测量的误差，可以使其中三个方程分别联立，
180，30，6)(181．3，30．3，6．16)(240，30，6)(241．4，30．9，5．82)(300，30，6)(301．2，30．7，6．24)由表3的定位结果，采用均方根误差(ＲMSE)作为实验定位精度的判断标准。由于本实验着重实现机器人对室内声源目标的定位，仰角的影响因素相对较小。所以，本实验将重点分析定位距离与定位方位角的精度问题，暂不考虑仰角信息(由表3可知仰角误差在1．2°以内)，由此可得到定位误差的曲线图，如图12～15所示。图12定位距离误差与距离的关系曲线图13定位角度误差与距离的关系曲线由图12、13可知，在同一方位角度下，随着声源与定位阵列距离的增大，距离定位误差与角度定位误差呈现出不同的关系曲线。即定位距离误差随着距离的增大而增大，在6m的范围内，最大距离定位误差保持在0．25m以内，最小误差只有0．05m左右;而方位角定位误差并没有随着声源距离的变化而出现显著的变动，误差在1．5°以内，保持了较好的稳定性，定位精度相对较高。从距离误差与角度误差的相对大小来看，角度定位精度要优于距离定位精度。初步分析，造成这种定位精度差异的重要原因是距离的计算式(11)是由乘方与加法组成，这也会造成误差的累积;而角度值的求解公式恰恰相反，是由除式组成的，这对误差的消除起到了一定的作用。图14定位距离误差与方位角的关系曲线图15定位角度误差与方位角的关系线由图14和15可知，在同一距离的情况下，随着方位角的变化，距离定位误差与方位角定位误差均呈现出较平稳的关系曲线。距离定位误差的波动范围保持在0．08m以内，方位角定位误差的波动范
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能机器人的现状及发展[J]. 任福继,孙晓. 科技导报. 2015(21)
[2]正四面体麦克风阵列声源定位模型研究[J]. 孙昊,仲维灿,刘贺洋. 计算机仿真. 2015(02)
[3]麦克风阵列声源定位中时延估计的改进[J]. 张雷岳,张兴敢,刘超. 南京大学学报(自然科学). 2015(01)
硕士论文
[1]基于麦克风阵列的声源方位估计算法研究[D]. 刘慧珠.西南交通大学 2015
本文编号：3463570
【文章来源】：计算机应用研究. 2019,36(04)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
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?捎谑毖庸兰凭?鹊奈侍猓??3)不可能处于完全相等的状态，它们之间有一个误差的存在。b)针对a)中所提到的误差设定一个合理的阈值ε，其中ε值可根据系统定位精度的需求来设定，并进行下面不等式的判断:τij－(τik+τkj)≤ε(4)c)当不满足该不等式时，说明时延估计的偏差较大，则摈弃该组时延值;当满足条件时，则该组时延通过筛选，进而进行定位计算。1．3基于时间延迟估计的正四棱锥声源定位设计采用基于正四棱锥的三维麦克风阵列进行声源目标的定位。建立如图4所示的坐标系，m0～m4分别为五个麦克风且位于四棱锥的五个顶点之上，坐标分别为(xi，yi，zi)(i=0，1，2，3，4)，待求声源点G的坐标为(x，y，z)，声音在空气中的传播速度为vsound，声源点G到各个麦克风的距离分别为si(i=0，1，2，3，4);则目标声源到达其他麦克风的距离与到达m0的距离之差为di0=si－s0=vsoundτi0i=1，2，3，4(5)其中:τi0为声源到达mi与到达m0的时间差。图4正四棱锥声源定位示意图由图4的空间几何关系可建立声源定位数学模型如下:si=(x－xi)2+(y－yi)2+(z－zi)槡2s0=(x－x0)2+(y－y0)2+(z－z0)槡2di0=si－s0(i=1，2，3，4)(6)2基于迭代优化的声源位置计算式(6)中的任意三个方程联立，均可求解出声源的位置坐标。考虑到实际测量的误差，可以使其中三个方程分别联立，
180，30，6)(181．3，30．3，6．16)(240，30，6)(241．4，30．9，5．82)(300，30，6)(301．2，30．7，6．24)由表3的定位结果，采用均方根误差(ＲMSE)作为实验定位精度的判断标准。由于本实验着重实现机器人对室内声源目标的定位，仰角的影响因素相对较小。所以，本实验将重点分析定位距离与定位方位角的精度问题，暂不考虑仰角信息(由表3可知仰角误差在1．2°以内)，由此可得到定位误差的曲线图，如图12～15所示。图12定位距离误差与距离的关系曲线图13定位角度误差与距离的关系曲线由图12、13可知，在同一方位角度下，随着声源与定位阵列距离的增大，距离定位误差与角度定位误差呈现出不同的关系曲线。即定位距离误差随着距离的增大而增大，在6m的范围内，最大距离定位误差保持在0．25m以内，最小误差只有0．05m左右;而方位角定位误差并没有随着声源距离的变化而出现显著的变动，误差在1．5°以内，保持了较好的稳定性，定位精度相对较高。从距离误差与角度误差的相对大小来看，角度定位精度要优于距离定位精度。初步分析，造成这种定位精度差异的重要原因是距离的计算式(11)是由乘方与加法组成，这也会造成误差的累积;而角度值的求解公式恰恰相反，是由除式组成的，这对误差的消除起到了一定的作用。图14定位距离误差与方位角的关系曲线图15定位角度误差与方位角的关系线由图14和15可知，在同一距离的情况下，随着方位角的变化，距离定位误差与方位角定位误差均呈现出较平稳的关系曲线。距离定位误差的波动范围保持在0．08m以内，方位角定位误差的波动范
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能机器人的现状及发展[J]. 任福继,孙晓. 科技导报. 2015(21)
[2]正四面体麦克风阵列声源定位模型研究[J]. 孙昊,仲维灿,刘贺洋. 计算机仿真. 2015(02)
[3]麦克风阵列声源定位中时延估计的改进[J]. 张雷岳,张兴敢,刘超. 南京大学学报(自然科学). 2015(01)
硕士论文
[1]基于麦克风阵列的声源方位估计算法研究[D]. 刘慧珠.西南交通大学 2015
本文编号：3463570
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