聶權(quán)

摘 要：聲信標(biāo)的定向定位技術(shù)是聲定位的關(guān)鍵技術(shù)之一，不同于基于強(qiáng)度差的定位技術(shù)，其能更加準(zhǔn)確地反映目標(biāo)當(dāng)前的位置。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于災(zāi)難救助、軍事和交通管理等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)研究聲信標(biāo)定向算法在智能車尋跡中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聲信標(biāo)定向算法；智能車尋跡；音頻處理

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0013-03

The Orientation Algorithm of Sound Beacon and its Application

in Tracking of Intelligent Vehicle

NIE Quan

（School of Electronic Informatio， North China University of Technology， Beijing 100043）

Abstract： The directional positioning technology of sound beacon is one of the key technologies of acoustic positioning， which is different from the location based on the intensity difference， which can more accurately reflect the position of the target. This technology is widely used in disaster relief， military and traffic management. This paper focused on the application of acoustic beacon orientation algorithm in intelligent vehicle tracing.

Keywords： orientation algorithm of sound beacon；tracking of intelligent vehicle；audio processing

聲場(chǎng)定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械故障檢測(cè)、智能機(jī)器人尋跡、水下目標(biāo)定位和無(wú)人潛航器中。在大學(xué)生智能車信標(biāo)組的比賽中，也引入了基于聲音的信標(biāo)系統(tǒng)。本文利用雙拾音器系統(tǒng)采集信標(biāo)信號(hào)，通過(guò)相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)定向，并在此基礎(chǔ)上探討智能車的尋跡算法，并對(duì)該算法進(jìn)行仿真分析。

1 雙拾音器定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 音頻定向系統(tǒng)的組成

音頻定向系統(tǒng)由安裝在車頭左右兩邊的兩個(gè)拾音器組成（見圖1），間隔距離為L(zhǎng)，用于實(shí)現(xiàn)雙聲道的立體聲音頻采集。

1.2 聲信標(biāo)采集與處理系統(tǒng)組成

采集后的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后，用濾波電路濾除干擾[1]。然后，由高速AD采集進(jìn)微控制器做后續(xù)處理。主控微控制器選用意法半導(dǎo)體的CortexM4芯片STM32F407，其內(nèi)部集成了3個(gè)獨(dú)立的12位AD，完全滿足雙通道音頻信號(hào)的同步采集。

音頻處理及小車控制電路如圖2所示。假設(shè)信標(biāo)音頻為fKHz，濾波電路設(shè)計(jì)成帶通濾波，通頻帶為[fK-ΔfK，fK+ΔfK]，帶寬為2[ΔfK]。為了后面相關(guān)算法處理方便，此處帶寬不要設(shè)得過(guò)窄。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，AD采樣速率不應(yīng)低于2*fkHz。智能小車使用了多種傳感器，本文主要討論音信標(biāo)的處理，其他的不展開討論。

2 音頻信標(biāo)相關(guān)定向算法

2.1 雙聲道定向原理

左拾音器ML與右拾音器MR間距為L(zhǎng)。假設(shè)聲信標(biāo)F在小車的左上方，F(xiàn)與左拾音器距離DL，與右拾音器距離DR，VS為空氣中的音速。

則聲信標(biāo)F發(fā)出的聲音傳到左拾音器ML與右拾音器MR時(shí)間TL和TR分別為：

[TL=DL/VS] [TR=DR/Vs] （1）

則左、右拾音器接收到音頻延時(shí)不一致，接收的信號(hào)存在相位差。時(shí)間差為：

[ΔT=TR-TL=DR-DLVS] （2）

式（2）可以建立一個(gè)方程，但要想定位F在平面上的具體位置，需要至少兩個(gè)方程。也就是說(shuō)，如果需要定位出信標(biāo)的具體位置，至少需要三個(gè)拾音器才可以。

在只有兩個(gè)拾音器的情況下，可以求出時(shí)間差[ΔT]。根據(jù)聲速，可以得到F距離兩個(gè)拾音器的距離差[ΔD]，如圖3所示。此時(shí)，滿足條件的是以MR為中心，半徑為[ΔD]的圓上的點(diǎn)。由于可以保證信標(biāo)是在車的前方（[ΔD]>0說(shuō)明是在左前方，[ΔD]<0時(shí)，要以ML為中心畫圓），因此對(duì)于一個(gè)測(cè)定的時(shí)間差[ΔT]，F(xiàn)結(jié)果應(yīng)該是在[θ]∈[0，90°]變化的射線上，做射線與圓的交點(diǎn)以及ML連線的中垂線，該中垂線與射線的焦點(diǎn)就是F的定位點(diǎn)。所以，對(duì)于一個(gè)給定的時(shí)間差[ΔT]，F(xiàn)位置應(yīng)該按圖3[θ]∈[0，90°]變化時(shí)的一條軌跡。所以兩個(gè)拾音器不能定位，只能定向[2]。

2.2 求[ΔT]的相關(guān)算法

聲信標(biāo)經(jīng)過(guò)空氣信道傳播，會(huì)帶來(lái)衰減和噪聲。由于聲信標(biāo)到拾音器的距離遠(yuǎn)大于兩組拾音器之間的距離，因此，當(dāng)信標(biāo)信號(hào)先后到達(dá)兩個(gè)拾音器時(shí)，可以認(rèn)為兩個(gè)不同傳播路徑上的噪聲對(duì)于兩個(gè)拾音器是基本一致的，因此采用相關(guān)分析法來(lái)確定其接收信號(hào)的相位差（時(shí)間差[ΔT]）。

如圖4所示，[SL（t）]，[SR（t）]分別表示左、右兩個(gè)拾音器接受的信號(hào)，其互相關(guān)函數(shù)可以記為：

[RLR=-∞+∞SLt-τ?SR（t）dt] （3）

由于是同一個(gè)信源發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)，假定信源信號(hào)為[Ft]，兩個(gè)拾音器信道脈沖響應(yīng)函數(shù)分別為[H1（t）]和[H2（t）]，則有：

[SLt=Ft*H1（t）] （4）

[SRt=Ft*H2（t）] （5）

由于兩個(gè)信道路徑基本相同，因此，可以認(rèn)為一個(gè)信道相對(duì)另外一個(gè)信道只是多了一個(gè)延時(shí)。式（5）可以寫成復(fù)平面的表達(dá)式：

[SRS=H2S*FS=H1S*FS*DS=SLS*DS ]（6）

式中，[DS]是時(shí)延環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，式（6）寫成時(shí)域表達(dá)式：

[SRt=0∞D(zhuǎn)α?SLt-αdα] （7）

在有限的積分時(shí)間內(nèi)，式（3）可以寫作：

[RLR=1T0TSLt-τ?0∞D(zhuǎn)α?SLt-αdαdt]

[=0∞D(zhuǎn)α?1T0TSLt-τ?SLt-αdtdα] （8）

[=0∞D(zhuǎn)α?RSLL（τ-α）dα]

D（S）是一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)延脈沖，式（8）進(jìn)一步改寫為：

[RLR=0∞δt-τ0?RSLLτ-tdt=RSLLτ-τ0] （9）

式（9）表明，兩個(gè)拾音器接收信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)在其相位時(shí)延[τ=τ0]處具有最大值。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)兩路拾音器信號(hào)做互相關(guān)計(jì)算，找到最大值時(shí)刻，就可以求出信號(hào)的相對(duì)時(shí)延。

3 時(shí)延算法的仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算機(jī)采集信標(biāo)音頻信號(hào)模擬拾音器的接收信號(hào)。由于目前計(jì)算機(jī)的采集聲卡都是單聲道的，無(wú)法同時(shí)模擬兩路拾音器，所以，對(duì)采集的兩路信號(hào)做不同時(shí)延處理，模擬不同路徑上的時(shí)延差，然后對(duì)采集的兩路信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理得到時(shí)延。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5（b）是對(duì)雙拾音器獲得的音頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果，縱坐標(biāo)是相關(guān)函數(shù)值，橫坐標(biāo)是數(shù)據(jù)采集碼元數(shù)量，峰值出現(xiàn)在2 056個(gè)碼元位置（2 048是零延遲位置），采樣率是20kHz，碼元寬度是0.05ms，則可以知道通道延時(shí)差是0.4ms。剛好與設(shè)置的通道延遲差一致。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)改變麥克風(fēng)位置（通過(guò)改變延時(shí)），算法可以正確跟蹤時(shí)延。

4 小車尋跡控制算法

雙拾音器只能做定向，無(wú)法定位信標(biāo)源，要想完成準(zhǔn)確定位，還需要和小車的控制結(jié)合起來(lái)。

在完成一次定向計(jì)算后，可以控制小車朝信標(biāo)源方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向，小車在一個(gè)節(jié)拍控制的行駛位置變化是可以通過(guò)幾何模型計(jì)算出來(lái)。在新的位置又可以進(jìn)行一次定向計(jì)算，這樣聯(lián)立兩個(gè)方程就可以完成信標(biāo)源的定位[3]。

在實(shí)際智能車控制中，通常不需要進(jìn)行信標(biāo)源定位，因此，每步只需要定向，然后結(jié)合小車單節(jié)拍的控制算法就可以實(shí)現(xiàn)尋跡。比如，一個(gè)簡(jiǎn)單有效的控制算法是，當(dāng)[τ>0]，控制小車左轉(zhuǎn)向；當(dāng)[τ<0]，控制小車右轉(zhuǎn)向，這樣就可以控制小車完成尋跡。在實(shí)際控制算法中，為了防止過(guò)度調(diào)向引起小車左右搖擺，通常在控制時(shí)會(huì)給出一個(gè)死區(qū)閾值，只有大于這個(gè)閾值，才會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論建模和分析，對(duì)雙聲道信號(hào)使用相關(guān)分析法處理得到相位差的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)聲信標(biāo)源的定向，并將算法引用到智能小車的尋跡控制中。通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出，該算法能較好地實(shí)現(xiàn)定向作用，提高小車的目標(biāo)識(shí)別能力。

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