Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и реализация алгоритмов звуковой локализации с использованием микроконтроллерной платформы

Сведения об участнике
ФИО
Гусев Алексей Евгеньевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Раздел области наук
Приборостроение. Радиотехника и электроника
Тема
Исследование и реализация алгоритмов звуковой локализации с использованием микроконтроллерной платформы
Резюме
Локализация источника звука подразумевает под собой определение местоположения источника звука в пространстве, сопровождения объекта, либо идентификации его из некоторого множества других объектов и может быть использована для снижения энергозатрат оборудования, в развлекательных целях для создания интерактивных игрушек, для слежения за диктором на видеоконференциях, в военных целях. В работе рассмотрен ряд методов, позволяющих осуществить локализацию источника звука в пространстве, проведено сравнение этих методов и осуществлена их реализация на основе прототипа датчика для звуковой локализации.
Ключевые слова
Локализация, микрофонная решётка, угловые координаты, кросс-корреляция, микроконтроллер.
Цели и задачи
Цель - Исследование, реализация и сравнение алгоритмов для звуковой локализации источника звука на базе микроконтроллерной платформы
Задачи - 1. Изучить, реализовать и сравнить методы, позволяющие определить координаты источника звука в пространстве. 2.Создать прототип датчика для звуковой локализации
Введение

В настоящее время очень важно обладать достоверной и точной информацией, касательно окружающих нас объектов и явлений. Получить такую информацию о расположение объекта можно путём его локализации в пространстве. Для большого множества объектов возможна его локализация на основе звуковой информации, им создаваемым. Она может использоваться для снижения энергозатрат оборудования,  видеозаписи нескольких дикторов одной камерой, в военных целях – для определения положения противника. Другое направление, являющиеся актуальным – повсеместное распространение техники на базе микроконтроллеров,  использующейся в различных сферах жизни. Именно как сенсор на базе микроконтроллера и будет реализовывана данная работа.

Методы и материалы

Существует несколько основных алгоритмов определения угловых координат источника звука:

    High-Resolution Spatial Spectral-Based Estimators;
    Time-Difference of Arrival-Based Estimators;
    Beamformer-Based Estimators.


High-Resolution Spatial Spectral-Based Estimators  – либо метод высокоточной оценки, основанный на спектральной информации сигнала – метод, позволяющий получить оценку расположения источника(источников) звука в пространстве на основе обработки информации, поступающей с нескольких сенсоров, и представления ковариционной матрицы сигналов , полученных с этих сенсоров в виде, удобном для последующей работы с ними.

Beamformer-Based Estimators – либо оценка на основе формирования диаграммы направленности. – метод, основанный на представление исходного входного сигнала в таком виде, при котором достигается максимум выходной мощности сигнала, снятого с микрофонов, в некотором направление

Time-Difference of Arrival-Based Estimators – либо метод оценки на основе времени поступления сигнала на микрофоны – метод, основанный на расчёте временной задержки поступления звукового сигнала на разные микрофоны в решётке с последующей оценкой угловых координат источника. Данный алгоритм может быть создан на основе корреляционных вычислений фазового преобразования либо оконного преобразования Фурье

Описание и обсуждение результатов
  1.  Создан прототип измерительной установки для определения координат источника звука
  2.  Проведено сравнение реализованных алгоритмов, а так же метода на основе временных счётчиков и способности человека к звуковой локализации. Наилучшие совокупные результаты показал алгоритм на основе функций кросс-корреляции, имеющий точность определения азимутальных координат в 4.5º с вероятностью ошибки 6% и точность определения зенитных координат в 10º с вероятностью ошибки 28%
  3. Для метода на основе счётчиков и Фурье преобразования рассмотрены условия, в которых их использование предпочтительнее, несмотря на худшие показатели. Для алгоритма на основе счётчиков – это высокие требования к быстродействию, для алгоритма на основе Фурье преобразования – наличие нескольких источников звука одновременно или узкополосный шум.
  4.  Для метода с пространственным разнесением микрофонных решёток проведён анализ полученных результатов, использование метода возможно для определения координат источника звука в пределах 20-100 см по координатам X и Y при расстоянии между микрофонными решётками в 50 см.

В будущем представляется возможным расширить текущий проект по звуковой локализации в направлении:

  1.  Переход от текущей реализации прототипа измерительной установки к решению в виде отдельного сенсора на одной плате.
  2.  Применение полученного сенсора как части более сложных проектов   - сопровождение диктора, управление мобильными роботами и др.
  3.  Реализация более сложного метода звуковой локализации посредством смены используемой аппаратной платформы или отказа от автономности реализации алгоритма.
Используемые источники
1)Коростелев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем — М.: Радио и связь, 1987.
2)Мокрецов А.В. Алгоритм и устройство с адаптивным управлением характеристикой направленности на основе пространственно-временной обработки сигналов — Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2012.
3)Савочкин Д.А. Анализ вероятностных методов пространственной локализации объектов с помощью систем радиочастотной идентификации — 9-я Международная молодёжная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники телекоммуникаций РТ -2013», 22 — 26 апреля 2013 г. Севастополь. Украина.
4) Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов. – М.: Радиотехника, 2004.
5) Савочкин Д. А. Метод пространственной локализации объектов на основе процедуры классификации для использования в RFID-системах / Радіоелектронні і комп’ютерні системи. - 2013. - № 4
Information about the project
Surname Name
Gusev Alexey
Project title
Research and implementation of sound localization algorithms using microcontroller platform
Summary of the project
The localization of the sound source means by a certain sound source position in the space, object tracking, or identifying it from a variety of other objects and can be used to reduce the energy consumption of equipment, for the creation of interactive toys, to track announcer for videoconferences, for military purposes. The article considers a number of methods that allow you to localize a sound source in space, a comparison of these methods and their implementation is carried out on the basis of a prototype sensor for sound localization
Keywords
Localization, microphone array, the angular coordinates, cross-correlation, microcontroller.