一种声音定位装置论文和设计-冯雷

全文摘要

本实用新型公开了一种声音定位装置。该装置包括全指向性模拟输出MEMS声音采集模块与信号处理模块，所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块由麦克风模块，信号放大模块以及无源低通滤波模块组成；所述信号处理模块由MCU微控制单元，WIFI模块以及GPRS模块组成。定位方法利用不同声音采集模块的时间互相关序列计算到达时延差，并由到达时延差计算得到声源位置信息。本实用新型安装简单，成本低，使用方便，抗干扰能力强，实现了定位场景中的声源精准定位，并允许用户在移动端进行灵敏度的远程调节。

主设计要求

1.一种声音定位装置，其特征在于，该装置包括全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）及一个信号处理模块（2）；所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）为四件，每件均由麦克风模块（3）、信号放大模块（4）及无源低通滤波模块（5）组成；其中，麦克风模块（3）的信号output端与信号放大模块（4）的input端连接，信号放大模块（4）的output端与无源低通滤波模块（5）的input端连接；所述信号处理模块（2）由MCU微控制单元（6）、WIFI模块（7）及GPRS模块（8）组成；其中，WIFI模块（7）的RX端与TX端分别与MCU微控制单元（6）的GPIO端连接，GPRS模块（8）的RX端与TX端分别与MCU微控制单元（6）的GPIO端连接；所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）与信号处理模块（2）连接；其中，四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）上信号放大模块（4）的control端分别与信号处理模块（2）上MCU微控制单元（6）的GPIO端连接；四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）上无源低通滤波模块（5）的信号output端分别与信号处理模块（2）上MCU微控制单元（6）的ADinput端连接。

设计方案

所述信号处理模块（2）由MCU微控制单元（6）、WIFI模块（7）及GPRS模块（8）组成；其中，WIFI模块（7）的RX端与TX端分别与MCU微控制单元（6）的GPIO端连接，GPRS模块（8）的RX端与TX端分别与MCU微控制单元（6）的GPIO端连接；

所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）与信号处理模块（2）连接；其中，四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）上信号放大模块（4）的control端分别与信号处理模块（2）上MCU微控制单元（6）的GPIO端连接；四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）上无源低通滤波模块（5）的信号output端分别与信号处理模块（2）上MCU微控制单元（6）的ADinput端连接。

2.根据权利要求1所述的一种声音定位装置，其特征在于，所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块（1）为四件，且该四件在平面直角坐标系的位置分布为：选用其中一件设于平面直角坐标系的原点，其余三件在平面直角坐标系的坐标分别为[0,1]、[1,0]、[-1,-1]，单位为：米。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及通讯技术领域中无线通信、声源定位及音频降噪的技术，尤其是一种声音定位装置。

背景技术

听觉是人的感官之一，而声音信号是最重要的信息来源之一。声音定位技术非常实用并且其应用范围广泛。它可安置在交通路口配合摄像头实现精确定位抓拍鸣笛，也可安置在家中实时检测声源信息，从而实现防盗以及安全事故监测的功能。现如今，基于图像识别的定位技术层出不穷，而基于声音定位的技术则相对较少。基于图像识别的定位技术容易受到干扰，从而降低了定位效果，声音定位技术可独立应用，也可协同图像定位，以保证定位的准确度及提高定位的效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种声音定位装置，本实用新型采用四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块接收声源，利用不同位置声音采集模块声音信号的时间相关性计算得到不同声音采集模块之间的时延差，再根据到达时延差计算得到声源的位置信息，并将声源定位信息通过MCU微控制单元实时处理采集，最终通过WIFI模块及GPRS模块将声源信息及位置信息反馈给用户。本实用新型结构简单，成本低，使用方便，抗干扰能力强，实现了定位场景中的声源精准定位，并允许用户在移动端进行灵敏度的远程调节。

实现本实用新型目的的具体实施方式是：

一种声音定位装置，特点是该装置包括全指向性模拟输出MEMS声音采集模块及一个信号处理模块；所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块为四件，每件均由麦克风模块、信号放大模块及无源低通滤波模块组成；其中，麦克风模块的信号output端与信号放大模块的input端连接，信号放大模块的output端与无源低通滤波模块的input端连接。

所述信号处理模块由MCU微控制单元、WIFI模块及GPRS模块组成；其中，WIFI模块的RX端与 TX端分别与MCU微控制单元的GPIO端连接，GPRS模块的RX端与TX端分别与MCU微控制单元的GPIO 端连接。

所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块与信号处理模块连接；其中，四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块上信号放大模块的control端分别与信号处理模块上MCU微控制单元的GPIO 端连接；四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块上无源低通滤波模块的信号output端分别与信号处理模块上MCU微控制单元的ADinput端连接。

所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块为四件，且该四件在平面直角坐标系的位置分布为：选用其中一件设于平面直角坐标系的原点，其余三件在平面直角坐标系的坐标分别为[0，1]、[1，0]、[-1，-1]，单位为：米。

本实用新型全指向性模拟输出MEMS声音采集模块包括麦克风模块、信号放大模块及无源低通滤波模块。全指向性模拟输出MEMS声音采集模块对采集到的声音信号进行了预处理，处理过程是先通过麦克风模块采集声音信号；信号放大模块采用单电源放大电路将声音信号适当放大，该模块的放大倍数可由MCU微控制单元来调整，此处采用单电源放大电路是为了使声音信号幅度与MCU微控制单元的可接受输入幅度相匹配；无源低通滤波模块将放大后的信号进行滤波处理，通过设置合适的截止频率能将大部分噪声信息滤除；无源低通滤波模块通过有线传输将经过预处理的声音信号传输给MCU微控制单元；GPRS模块用于将声源定位信息通过移动网络GPRS发送给用户端，并且能接收用户端的控制信号。

本实用新型采用的定位方法利用到达时延差计算声源位置信息，并将装置灵敏度范围内的声源定位信息通过WIFI通信以及GPRS移动网络实时发送给用户，而用户也可通过WIFI通信以及GPRS移动网络调整装置灵敏度。

本实用新型定位方法的优点在于利用不同声音采集模块的声音信号的时间相关性计算得到不同声音采集模块之间的时延差，再根据到达时延差计算得到声源位置信息。

本实用新型定位方法的优点还在于使用自适应时间窗，确保在周期内采到完整的声音信号，通过计算时间互相关函数的方式求得到达时延差，与直接判断声音信号大小的方式相比抗干扰性更强且可靠性更强。其中采用循环内积的方式计算互相关序列，消除环境影响，进一步提高正确率。同时求得时延差方程组的闭合解，可以适用于以声音采集模块为坐标系原点的广范围的定位场景。用户可通过移动端远程接收声源定位信息并随时可以调整装置灵敏度，使用起来方便快捷。

本实用新型采用四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块接收声源，利用不同位置声音采集模块声音信号的时间相关性计算得到不同声音采集模块之间的时延差，再根据到达时延差计算得到声源的位置信息，并将声源定位信息通过MCU微控制单元实时处理采集，最终通过WIFI模块及GPRS模块将声源信息及位置信息反馈给用户。本实用新型结构简单，成本低，使用方便，抗干扰能力强，实现了定位场景中的声源精准定位，并允许用户在移动端进行灵敏度的远程调节。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为声音采集模块在平面直角坐标系的位置分布示意图；

图3为全指向性模拟输出MEMS声音采集模块的结构示意图；

图4为信号处理模块的结构示意图；

图5为本实用新型的工作流程图；

图6为本实用新型声源坐标的计算过程图；

图7为本实用新型的使用状态图。

具体实施方式

参阅图1，本实用新型包括全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1及一个信号处理模块2。

参阅图1、图3，所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1为四件，每件均由麦克风模块3、信号放大模块4及无源低通滤波模块5组成；其中，麦克风模块3的信号output端与信号放大模块4 的input端连接，信号放大模块4的output端与无源低通滤波模块5的input端连接。

参阅图1、图4，所述信号处理模块2由MCU微控制单元6、WIFI模块7及GPRS模块8组成；其中，WIFI模块7的RX端与TX端分别与MCU微控制单元6的GPIO端连接，GPRS模块8的RX端与TX 端分别与MCU微控制单元6的GPIO端连接。

参阅图1、图3、图4，所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1与信号处理模块2连接；其中，四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1上信号放大模块4的control端分别与信号处理模块2上MCU微控制单元6的GPIO端连接；四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1上无源低通滤波模块5的信号output端分别与信号处理模块2上MCU微控制单元6的ADinput端连接。

参阅图1、图2，所述全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1为四件，且该四件在平面直角坐标系的位置分布为：选用其中一件设于平面直角坐标系的原点，其余三件在平面直角坐标系的坐标分别为[0，1]、[1，0]、[-1，-1]，单位为：米。

参阅图1、图3、图4、图7，所述麦克风模块3实现前端声音信号的采集；所述信号放大模块 4实现模拟信号的单电源放大以及放大倍数的调整；所述无源低通滤波模块5实现噪音的隔离；所述 MCU微控制单元6利用声音信号的到达时延差实现声源定位，同时该模块将放大倍数调整信号传输给信号放大模块4，信号放大模块4通过调整放大倍数实现装置灵敏度的调整；其中，声源定位算法通过计算到达不同声音采集模块的声音信号的时间相关函数并寻找其最大值来确定到达时延差，然后根据到达时延差计算出声源位置信息；所述WIFI模块7将声源定位信息通过WIFI通信的方式发送给用户，并且能接受用户的控制信号。

实施例

参阅图1、图5、图7，使用时，本实用新型通过WIFI模块7及GPRS模块8与用户的接收装置连接，本实用新型具体工作流程如下；

步骤1、信号处理模块2的MCU微控制单元6接收来自四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1采集的四路声音信号；

步骤2、MCU微控制单元6对输入的四路声音信号进行AD转换；

步骤3、MCU微控制单元6判断四路声音信号，其中，判断四路声音信号的每一路强度是否都达到了设定的阈值，若达到，则继续下一步；

步骤4、若否，则返回步骤1，扩充输入序列长度，重新读取声音信号；

步骤5、直至MCU微控制单元6判断四路声音信号的每一路强度均达到了设定的阈值；达到设定的阈值表示MCU微控制单元6已收到了声源的声音信号；MCU微控制单元6依据全指向性模拟输出 MEMS声音采集模块1的四路声音信号计算声源位置信息，在平面直角坐标系内得到位置坐标；

步骤6、最后由MCU微控制单元6通过WIFI模块7与GPRS模块8将声源坐标信息发送给用户的接收装置，用户获得声源及坐标信息；

步骤7、最终通过WIFI模块7及GPRS模块8将声源信息及位置信息反馈给用户；用户也可实时发送控制信号调整MCU微控制单元6的灵敏度，与用户交互。

参阅图1、图6、图7，本实用新型声源坐标的计算过程如下：

步骤1、四路声音信号强度都达到阈值：

由本实用新型信号处理模块2的MCU微控制单元6接收来自四件全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1采集的四路声音信号，仅当四路声音信号的强度都达到阈值时，MCU微控制单元6开始计算声源的位置信息。在采样周期内，只要任何一路声音信号的强度未达到阈值，则采样周期自动延长一个时间单位，直至四路声音信号强度都达到阈值。

步骤2、计算声音信号的时间互相关序列：

本实用新型全指向性模拟输出MEMS声音采集模块1为四件，在平面直角坐标系的分布位置为，选用其中一件设于平面直角坐标系的原点，其余三件在平面直角坐标系的坐标分别为[0，1]、[1，0]、 [-1，-1]，单位为：米。利于该四件在平面直角坐标系的分布位置不同，由MCU微控制单元6获得声音信号与时间的互相关序列。其中，采用了循环移位内积的方法来计算得到时间互相关序列，该循环移位内积公式为：

式中的length为序列长度。

步骤3、寻找时间互相关序列的最大值：

寻找步骤2计算的时间互相关序列R_{ij<\/sub>的最大值。}

步骤4、求得到达时延差：

根据时间互相关函数的性质，互相关序列R_{ij<\/sub>的最大值对应的n即到达j与到达i的时间单位差， n与时间单位即采样周期的乘积即为到达时延差。}

步骤5、求解方程组得到声源坐标：

该方程组为：

式中，t_{1<\/sub>、t_{2<\/sub>、t_{3<\/sub>分别为设于原点的声音采集模块与坐标分别为[0，1]、[1，0]、[-1，-1]的其余三件声音采集模块的时延差，式中x、y为声源在图2坐标系中的横、纵坐标，v为声速。}}}

步骤6、发送声源坐标：

通过WIFI模块7及GPRS模块8将声源信息及位置信息反馈给用户。

设计图

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主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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