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移动机器人声源定向方法研究

作　者: 陈占龙
导　师: 张汝波
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 声源定向 时延估计 四元十字阵 三元直角阵 通道校正
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


灾难现场危险的工作环境给人员搜救带来了极大的困难。随着计算机技术的发展,机器人技术得到了广泛的应用,如何将机器人应用于灾难现场的人员搜救工作是一个有重要研究意义的课题。本论文研究的内容就是灾难现场人员搜救机器人的声源定向部分,通过获取待救人员发出的声音信息,确定出其相对机器人的方向,进而引导机器人走向待救者。目前的声源定向技术大都是通过麦克风阵列来实现的,本文主要围绕基于时延估计的声源定向技术展开研究。首先,对基于指向性麦克风的声源定向技术进行了实验论证,给出了一种基于分频的通道校正方法；其次,研究了四元十字阵和三元直角阵两种空间定向算法,并对其进行了融合；再次,深入研究了基于互相关的时延估计技术,鉴于预处理在信号处理中的重要作用,介绍了几种基本的预处理方法,重点研究了滤波和谱减对互相关算法的影响,并通过实验进行了验证,将互相关算法与滤波和谱减技术结合,提高了其在噪声环境中的性能,针对互相关时延估计结果有大量错误值夹杂的问题,总结了两种筛选算法,介绍了三种提高时延估计精度的插值算法；最后设计实现了一套6路声音采集系统,编写了相应的声音采集程序,通过对声音信号进行预处理,利用互相关时延估计方法,结合两种筛选算法,编程实现了两套声源定向程序,并对其定向结果进行了验证。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 研究背景及意义  9
  1.2 声源定位研究现状  9-13
    1.2.1 基于时延估计的定位技术  10-11
    1.2.2 基于可控波束形成的定位技术  11-12
    1.2.3 基于高分辨率谱估计的定位技术  12
    1.2.4 相关的机器人产品  12-13
  1.3 移动机器人声源定向系统的难点  13-14
  1.4 本文主要研究内容和组织结构  14-16
第2章 基于指向性麦克风阵列的声源定向方法研究  16-24
  2.1 算法原理  16-17
  2.2 实验验证  17-20
  2.3 回声对算法的影响  20-22
  2.4 通道校正  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章 基于时延估计的空间定向算法  24-34
  3.1 四元十字阵定向算法  24-28
    3.1.1 方位角计算  25-26
    3.1.2 距离计算  26
    3.1.3 俯仰角计算  26-27
    3.1.4 方位角误差分析  27-28
  3.2 三元直角阵定向算法  28-32
    3.2.1 平面定向原理  28-29
    3.2.2 三元直角阵空间定向  29-30
    3.2.3 方位角误差分析  30-32
  3.3 四元十字阵与三元直角阵融合  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第4章 时延估计相关技术研究  34-55
  4.1 信号预处理  34-40
    4.1.1 加窗分帧  34-35
    4.1.2 带通滤波  35-37
    4.1.3 谱减法去噪  37-40
  4.2 麦克风信号模型  40-41
  4.3 基于相关分析的时延估计  41-43
    4.3.1 直接互相关法  41
    4.3.2 广义互相关法  41-43
  4.4 互相关算法实用性验证及改进  43-51
    4.4.1 基本互相关与PHAT互相关对比  44-46
    4.4.2 滤波对互相关算法的影响验证  46-48
    4.4.3 谱减去噪对互相关算法的影响验证  48-49
    4.4.4 改进的互相关  49-50
    4.4.5 时延筛选算法  50-51
  4.5 提高时延估计精度的方法  51-53
    4.5.1 直接插值法提高采样率  51-52
    4.5.2 正弦函数插值  52-53
    4.5.3 抛物线插值  53
  4.6 本章小结  53-55
第5章 移动机器人声源定向系统设计与实现  55-68
  5.1 系统硬件准备  55-58
    5.1.1 机器人平台简介  55-56
    5.1.2 麦克风选择  56
    5.1.3 前置滤波放大器的实现  56-58
    5.1.4 数据采集卡选择  58
  5.2 声音信号采集部分  58-60
    5.2.1 麦克风阵列构建  59
    5.2.2 声音采集程序  59-60
  5.3 语音检测及信号预处理  60-62
  5.4 声源定向程序实现及结果分析  62-67
    5.4.1 基于随机分布筛选策略的系统实现  62-65
    5.4.2 基于权值筛选策略的系统实现  65-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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