声信标的定向算法及其在智能车寻迹中的应用

聂权

摘 要：声信标的定向定位技术是声定位的关键技术之一，不同于基于强度差的定位技术，其能更加准确地反映目标当前的位置。该技术被广泛应用于灾难救助、军事和交通管理等领域。本文重点研究声信标定向算法在智能车寻迹中的应用。

关键词：声信标定向算法；智能车寻迹；音频处理

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：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

声场定位技术被广泛应用于各种机械故障检测、智能机器人寻迹、水下目标定位和无人潜航器中。在大学生智能车信标组的比赛中，也引入了基于声音的信标系统。本文利用双拾音器系统采集信标信号，通过相关算法实现声场定向，并在此基础上探讨智能车的寻迹算法，并对该算法进行仿真分析。

1 双拾音器定向系统设计

1.1 音频定向系统的组成

音频定向系统由安装在车头左右两边的两个拾音器组成（见图1），间隔距离为L，用于实现双声道的立体声音频采集。

1.2 声信標采集与处理系统组成

采集后的音频信号经过前置放大后，用滤波电路滤除干扰[1]。然后，由高速AD采集进微控制器做后续处理。主控微控制器选用意法半导体的CortexM4芯片STM32F407，其内部集成了3个独立的12位AD，完全满足双通道音频信号的同步采集。

音频处理及小车控制电路如图2所示。假设信标音频为fKHz，滤波电路设计成带通滤波，通频带为[fK-ΔfK，fK+ΔfK]，带宽为2[ΔfK]。为了后面相关算法处理方便，此处带宽不要设得过窄。根据香农采样定理，AD采样速率不应低于2*fkHz。智能小车使用了多种传感器，本文主要讨论音信标的处理，其他的不展开讨论。

2 音频信标相关定向算法

2.1 双声道定向原理

左拾音器ML与右拾音器MR间距为L。假设声信标F在小车的左上方，F与左拾音器距离DL，与右拾音器距离DR，VS为空气中的音速。

则声信标F发出的声音传到左拾音器ML与右拾音器MR时间TL和TR分别为：

[TL=DL/VS] [TR=DR/Vs] （1）

则左、右拾音器接收到音频延时不一致，接收的信号存在相位差。时间差为：

[ΔT=TR-TL=DR-DLVS] （2）

式（2）可以建立一个方程，但要想定位F在平面上的具体位置，需要至少两个方程。也就是说，如果需要定位出信标的具体位置，至少需要三个拾音器才可以。

在只有两个拾音器的情况下，可以求出时间差[ΔT]。根据声速，可以得到F距离两个拾音器的距离差[ΔD]，如图3所示。此时，满足条件的是以MR为中心，半径为[ΔD]的圆上的点。由于可以保证信标是在车的前方（[ΔD]>0说明是在左前方，[ΔD]<0时，要以ML为中心画圆），因此对于一个测定的时间差[ΔT]，F结果应该是在[θ]∈[0，90°]变化的射线上，做射线与圆的交点以及ML连线的中垂线，该中垂线与射线的焦点就是F的定位点。所以，对于一个给定的时间差[ΔT]，F位置应该按图3[θ]∈[0，90°]变化时的一条轨迹。所以两个拾音器不能定位，只能定向[2]。

2.2 求[ΔT]的相关算法

声信标经过空气信道传播，会带来衰减和噪声。由于声信标到拾音器的距离远大于两组拾音器之间的距离，因此，当信标信号先后到达两个拾音器时，可以认为两个不同传播路径上的噪声对于两个拾音器是基本一致的，因此采用相关分析法来确定其接收信号的相位差（时间差[ΔT]）。

如图4所示，[SL（t）]，[SR（t）]分别表示左、右两个拾音器接受的信号，其互相关函数可以记为：

[RLR=-∞+∞SLt-τ?SR（t）dt] （3）

由于是同一个信源发过来的信号，假定信源信号为[Ft]，两个拾音器信道脉冲响应函数分别为[H1（t）]和[H2（t）]，则有：

[SLt=Ft*H1（t）] （4）

[SRt=Ft*H2（t）] （5）

由于两个信道路径基本相同，因此，可以认为一个信道相对另外一个信道只是多了一个延时。式（5）可以写成复平面的表达式：

[SRS=H2S*FS=H1S*FS*DS=SLS*DS ]（6）

式中，[DS]是时延环节传递函数，式（6）写成时域表达式：

[SRt=0∞Dα?SLt-αdα] （7）

在有限的积分时间内，式（3）可以写作：

[RLR=1T0TSLt-τ?0∞Dα?SLt-αdαdt]

[=0∞Dα?1T0TSLt-τ?SLt-αdtdα] （8）

[=0∞Dα?RSLL（τ-α）dα]

D（S）是一个简单的时延脉冲，式（8）进一步改写为：

[RLR=0∞δt-τ0?RSLLτ-tdt=RSLLτ-τ0] （9）

式（9）表明，两个拾音器接收信号的互相关函数在其相位时延[τ=τ0]处具有最大值。也就是说，通过对两路拾音器信号做互相关计算，找到最大值时刻，就可以求出信号的相对时延。

3 时延算法的仿真实验

通过计算机采集信标音频信号模拟拾音器的接收信号。由于目前计算机的采集声卡都是单声道的，无法同时模拟两路拾音器，所以，对采集的两路信号做不同时延处理，模拟不同路径上的时延差，然后对采集的两路信号进行相关处理得到时延。实验结果如图5所示。

图5（b）是对双拾音器获得的音频信号进行相关运算的结果，纵坐标是相关函数值，横坐标是数据采集码元数量，峰值出现在2 056个码元位置（2 048是零延迟位置），采样率是20kHz，码元宽度是0.05ms，则可以知道通道延时差是0.4ms。刚好与设置的通道延迟差一致。通过仿真结果可以看出，当改变麦克风位置（通过改变延时），算法可以正确跟踪时延。

4 小车寻迹控制算法

双拾音器只能做定向，无法定位信标源，要想完成准确定位，还需要和小车的控制结合起来。

在完成一次定向计算后，可以控制小车朝信标源方向进行转向，小车在一个节拍控制的行驶位置变化是可以通过几何模型计算出来。在新的位置又可以进行一次定向计算，这样联立两个方程就可以完成信标源的定位[3]。

在实际智能车控制中，通常不需要进行信标源定位，因此，每步只需要定向，然后结合小车单节拍的控制算法就可以实现寻迹。比如，一个简单有效的控制算法是，当[τ>0]，控制小车左转向；当[τ<0]，控制小车右转向，这样就可以控制小车完成寻迹。在实际控制算法中，为了防止过度调向引起小车左右摇摆，通常在控制时会给出一个死区阈值，只有大于这个阈值，才会进行调节。

5 结语

本文通过理论建模和分析，对双声道信号使用相关分析法处理得到相位差的方法来实现声信标源的定向，并将算法引用到智能小车的寻迹控制中。通过仿真和實际实验得出，该算法能较好地实现定向作用，提高小车的目标识别能力。

参考文献：

[1]付海生，涂曾兵，戴宗明，王博.实现信标识别及定向运动的智能车设计[D].焦作：河南理工大学，2017.

[2]陈涓.移动信标的无线传感器网络定位算法研究[D].长沙：中南大学，2009.

[3]梁宇，马良，纳霞，陈晨. 基于广义互相关算法的时延估计[D].昆明：云南大学，2011.