基于智能音箱平台的室内声波定位系统

作者：陈亦捷 张嘉睿 软件学院

指导老师：王继良 软件学院

关键词：物联网应用 声源定位

摘要

本作品提出了一种应用在室内场景下的声源定位系统，该系统可以利用麦克风阵列技术对声源进行实时的跟踪定位。针对已有在智能音箱上的麦克风阵列定位精度差，定位受噪声干扰大，定位实时性不高等问题，本作品通过硬件和软件方面的改进在一定程度上解决了相关问题。

应用背景

随着基于位置的服务的应用潜力的不断发展，室内定位系统正迅速成为定位技术研究的新领域。同时基于位置的服务以及室内定位系统已经被越来越多的嵌入式设备和物联网设备所支持，这将给人们的生活提供了更大的便利。这些技术在智能家居，安防监控以及导航追踪方面有着广泛的应用前景。已有的智能音箱系统在麦克风阵列技术的帮助下对于周围的声场环境具有了一定的感知能力，但是由于传统集中式阵列系统的物理特性限制，其对于周围声源定位与追踪能力非常有限。

图1 定位应用场景

系统设计

我们系统的主要原理分为三个阶段：对于麦克风阵列输入的音频数据，通过互相关方法计算到声波到达麦克风的时间差(TDOA);通过基于TDOA的到达角算法对声源方向进行确定;利用多组阵列的多组角度信息就可以对声源的三维位置进行确定。我们改进的声源定位系统主要在三个方面对已有的实现进行了改进：阵列设计、噪声影响消除、定位实时性。

我们通过重新设计麦克风阵列构型，利用自身设计的硬件设备进行信号的收集，通过改进的定位算法提高了定位精确度。在噪声消除方面，我们通过对声音信号进行分段预处理提取有效片段，结合定位结果的离群值识别及滤波算法减少了噪声干扰。在实时定位方面，我们通过中心节点匹配多节点数据进行定位，达到了秒级的实时跟踪性能。

图 2 系统原理

图 3 硬件设计

系统成果

本作品在软件和硬件方面都实现了一套声源定位解决方案：在软件层面上，我们构建了前端演示框架与后端算法定位平台；在硬件层面上，我们独立设计了一套麦克风阵列数据收集板及相关组件，并以此构建了用于测试的麦克风阵列。通过实验对比了了不同阵列及不同距离下的定位误差，我们构建的系统在应用层面上可以满足室内场景下语音定位的需求。

图 4 角度误差

图 5 定位误差