一种声源定位追踪系统及方法

1.本发明属于声源定位技术领域，具体涉及一种声源定位系统及方法。


背景技术：

2.声源定位是指听觉(声学)系统对发声物体位置的判断过程，它包括了水平声源定位和垂直声源定位以及声源距离识别。传统的声源定位方法，多基于视觉技术实现，采集图像的准确性收到光线等因素的影响，难以实现准确定位；同时，该方法作为一种静态定位方法，需要布设专门的设备和信号接收器，系统结构复杂，难以实现声源的实时监控与追踪，实用性和应用价值均会受到限制。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的声源定位追踪系统及方法解决了现有的声源定位方法难以实现实时监控与追踪的问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种声源定位追踪系统，包括传感器模块、信号调理单元、控制器、电源以及显示器；
5.所述传感器模块通过信号调理单元与所述控制器连接，所述电源和显示器均与所述控制器连接；
6.所述传感器模块包括声信号采集单元和红外传感器，所述声信号采集单元用于采集声信号，并通过信号调理单元传输至控制器，所述红外传感器用于采集所述声源定位追踪系统距声源的距离信号；
7.所述控制器中内置球插值算法用于根据采集的声信号和距离信号，实现声源定位与追踪。
8.进一步地，所述声信号采集单元包括三个拾音器，三个所述拾音器成锥形面布置。
9.进一步地，所述声源追踪系统还包括红外激光瞄准器；
10.所述红外激光瞄准器通过步进电机与所述控制器连接。
11.进一步地，所述信号调理单元包括前置放大电路和低通滤波电路；
12.每个所述拾音器均对应依次连接一个前置放大电路和一个低通滤波电路，每个所述低通滤波电路均与所述控制器连接。
13.进一步地，所述控制器为stm32系列单片机。
14.一种声源定位追踪系统的声源定位追踪方法，包括以下步骤：
15.s1、通过声信号采集单元采集声源的声信号，并通过信号调理单元处理后传输至控制器；
16.s2、通过红外传感器采集至声源处的距离信息；
17.s3、在控制器中，对采集的声信号进行分析获得声源定位信息；
18.s4、在控制器中，综合声源定位信息与距离信息，对声源进行实时追踪。
19.进一步地，所述步骤s3中，通过球插值算法根据接收到的声信号，利用最小二乘估
计的方法获得声源定位信息。
20.进一步地，所述步骤s4中，综合声源定位信息与距离信息，采用粒子滤波算法或卡尔曼滤波算法对声源进行实时追踪。
21.进一步地，所述步骤s4中，基于对声源的追踪结果，通过红外激光瞄准器实时瞄准光源处，控制所述步进电机转动，使红外传感器采集至声源最短的距离信息。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)本发明可实现对移动声源的高精度定位和跟踪，同时具备实时性和可靠性；通过开发精确的算法和传感器模块，该系统可以在语音处理、无线通信和音频录制等领域中发挥重要作用，为人们提供更好的解决方案。
24.(2)不受光照和天气等环境因素的影响：传统的基于视觉的定位技术需要依赖于光线的传输，而基于声源的定位技术不受光照和天气等因素的影响，具有更广泛的应用场景。
25.(3)可以实现对移动声源的定位和追踪：基于声源的定位技术可以实现对移动声源的高精度定位和实时追踪，相比传统的静态定位技术具有更高的实用性和应用价值。
26.(4)系统结构简单，易于实现和部署：相较于传统的基于无线电信号的定位技术，基于声源的定位技术不需要专门的设备和信号接收器，系统结构更为简单，易于实现和部署。
附图说明
27.图1为本发明提供的声源定位追踪系统结构框图。
28.图2为本发明提供的声源定位追踪方法流程图。
具体实施方式
29.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
30.实施例1：
31.本发明实施例提供了一种声源定位追踪系统，如图1所示，包括传感器模块、信号调理单元、控制器、电源以及显示器；
32.所述传感器模块通过信号调理单元与所述控制器连接，所述电源和显示器均与所述控制器连接；
33.所述传感器模块包括声信号采集单元和红外传感器，所述声信号采集单元用于采集声信号，并通过信号调理单元传输至控制器，所述红外传感器用于采集所述声源定位追踪系统距声源的距离信号；
34.所述控制器中内置球插值算法用于根据采集的声信号和距离信号，实现声源定位与追踪。
35.本发明实施例提供的声源定位追踪系统，当声源发出声音时，声波会在空气中传播，经过一定的时间和距离到达传感器。通过计算声波传播的时间差和距离差，可以确定声
源的位置。此外，声源的移动也会导致声波传播路径的变化，因此，通过比较多次测量的结果，可以确定声源的移动方向和速度。
36.本发明实施例中声信号采集单元包括三个拾音器，三个所述拾音器成锥形面布置，以便更好的捕捉声源的信号，并将其传输至控制器。基于此，本实施例中的声源定位追踪系统可以通过麦克风阵列收集声音信息，并利用信号处理技术对声源进行定位和追踪，从而实现对移动目标的实时监测和追踪。
37.本发明实施例中的声源追踪系统还包括红外激光瞄准器；所述红外激光瞄准器通过步进电机与所述控制器连接。
38.在本发明实施例中，基于上述系统结构，采用波形形成技术对对麦克风阵列接收到的声音信息进行处理，计算出声源的方位和距离；对于移动的而目标进行声源跟踪，可以采用粒子波算法或者卡尔曼滤波算法来进行实时跟踪。
39.本发明实施例中的信号调理单元包括前置放大电路和低通滤波电路；每个所述拾音器均对应依次连接一个前置放大电路和一个低通滤波电路，每个所述低通滤波电路均与所述控制器连接。本实施例中的前置放大电路用于对拾音器收集的声音信号进行放大然后通过低通滤波电路进行降噪，以便后续的控制器对声音信号进行处理获得准确的声源定位信息。
40.本发明实施例中的控制器为stm32系列单片机，该型号的控制器stm32采用了arm cortex-m内核，具有出色的处理性能和运行速度；此外，它们还具有较大的flash存储器和sram存储器，可以轻松处理复杂的应用程序。
41.实施例2：
42.本发明实施例在实施例1提供的声源定位追踪系统的基础上，提供了声源定位追踪系统的声源定位追踪方法，如图2所示，包括以下步骤：
43.s1、通过声信号采集单元采集声源的声信号，并通过信号调理单元处理后传输至控制器；
44.s2、通过红外传感器采集至声源处的距离信息；
45.s3、在控制器中，对采集的声信号进行分析获得声源定位信息；
46.s4、在控制器中，综合声源定位信息与距离信息，对声源进行实时追踪。
47.本发明实施例的步骤s3中，通过球插值算法根据接收到的声信号，利用最小二乘估计的方法获得声源定位信息。
48.本发明实施例的步骤s4中，综合声源定位信息与距离信息，采用粒子滤波算法或卡尔曼滤波算法对声源进行实时追踪。
49.本发明实施例的步骤s4中，基于对声源的追踪结果，通过红外激光瞄准器实时瞄准光源处，控制所述步进电机转动，使红外传感器采集至声源最短的距离信息。
50.本发明实施例中的上述定位方法，将计算声波传播的时间和距离差，并并将其转换为声源的位置和移动方向。在计算过程中，考虑信号传输的延迟、传输中的噪声和干扰等因素，以确保系统的准确性和可靠性。
51.本发明实施例对上述系统进行了测试，验证了系统的定位和跟踪精度，优化算法和硬件设计，测试结果如表1所示；
52.测试数据
[0053][0054]
本发明实施例提供的声源定位追踪系统及方法，包括以下关键技术：
[0055]
1.传感器模块设计：传感器模块是该系统的重要组成部分，采用三个拾音器形成锥形面的声信号采集模块具备高灵敏度和高准确度，能够捕获声源的信号，并将其传输给控制系统。
[0056]
2.算法设计：自适应滤波算法是实现该系统的核心，需要能够对捕获的声音信号进行精确计算，以确定声源的位置和移动方向。在计算过程中，需要考虑信号传输的延迟、传输中的噪声和干扰等因素，以确保系统的准确性和可靠性。
[0057]
3.实时性和可靠性：该系统需要实现对移动声源的实时定位和追踪，同时需要具备高可靠性，确保系统运行的稳定性和精度。
[0058]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0059]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0060]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种声源定位追踪系统，其特征在于，包括传感器模块、信号调理单元、控制器、电源以及显示器；所述传感器模块通过信号调理单元与所述控制器连接，所述电源和显示器均与所述控制器连接；所述传感器模块包括声信号采集单元和红外传感器，所述声信号采集单元用于采集声信号，并通过信号调理单元传输至控制器，所述红外传感器用于采集所述声源定位追踪系统距声源的距离信号；所述控制器中内置球插值算法用于根据采集的声信号和距离信号，实现声源定位与追踪。2.根据权利要求1所述的声源定位追踪系统，其特征在于，所述声信号采集单元包括三个拾音器，三个所述拾音器成锥形面布置。3.根据权利要求1所述的声音定位追踪系统，其特征在于，所述声源追踪系统还包括红外激光瞄准器；所述红外激光瞄准器通过步进电机与所述控制器连接。4.根据权利要求2所述的声源定位追踪系统，其特征在于，所述信号调理单元包括前置放大电路和低通滤波电路；每个所述拾音器均对应依次连接一个前置放大电路和一个低通滤波电路，每个所述低通滤波电路均与所述控制器连接。5.根据权利要求1所述的声源定位追踪系统，其特征在于，所述控制器为stm32系列单片机。6.一种基于权利要求1～5任一权利要求所述的声源定位追踪系统的声源定位追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、通过声信号采集单元采集声源的声信号，并通过信号调理单元处理后传输至控制器；s2、通过红外传感器采集至声源处的距离信息；s3、在控制器中，对采集的声信号进行分析获得声源定位信息；s4、在控制器中，综合声源定位信息与距离信息，对声源进行实时追踪。7.根据权利要求6所述的声源定位追踪方法，其特征在于，所述步骤s3中，通过球插值算法根据接收到的声信号，利用最小二乘估计的方法获得声源定位信息。8.根据权利要求6所述的声源定位追踪方法，其特征在于，所述步骤s4中，综合声源定位信息与距离信息，采用粒子滤波算法或卡尔曼滤波算法对声源进行实时追踪。9.根据权利要求8所述的声源定位追踪方法，其特征在于，所述步骤s4中，基于对声源的追踪结果，通过红外激光瞄准器实时瞄准光源处，控制所述步进电机转动，使红外传感器采集至声源最短的距离信息。

技术总结
本发明公开了一种声源定位追踪系统及方法，系统包括传感器模块、信号调理单元、控制器、电源以及显示器；所述传感器模块通过信号调理单元与所述控制器连接，所述电源和显示器均与所述控制器连接；所述传感器模块包括声信号采集单元和红外传感器，所述声信号采集单元用于采集声信号，并通过信号调理单元传输至控制器，所述红外传感器用于采集所述声源定位追踪系统距声源的距离信号；所述控制器中内置球插值算法用于根据采集的声信号和距离信号，实现声源定位与追踪。本发明可实现对移动声源的高精度定位和跟踪，同时具备实时性和可靠性；通过开发精确的算法和传感器模块，该系统可以在语音处理、无线通信和音频录制等领域中发挥重要作用，为人们提供更好的解决方案。为人们提供更好的解决方案。为人们提供更好的解决方案。


技术研发人员：卢静 熊德明 牛欣玥 白馨宇 包林钊 凡佳俊 田野 余志林 杨悦 潘怡舟
受保护的技术使用者：重庆电子工程职业学院
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/11