快速部署分布式声源定位系统节点设计

摘要

声源定位技术是通过采用声传感器阵列对声源信息进行信号采集，然后利用声源定位算法来获取声源位置的一种技术。人们对声源定位技术的研究始于十九世纪末二十世纪初，在第一次世界大战的时候就有地面声定位技术的应用，但是后来由于激光、雷达和红外等一些侦查技术发展比较迅速，使得声源定位技术暂时不再受到人们的关注。近几年，由于激光、雷达和红外等反侦察技术的发展，并且数字信号处理技术的发展也比较迅速，使得声源定位技术再一次成为人们关注的热点。
　　本文通过对声源定位技术的研究，结合中国兵器工业试验测试研究院“无人值守警戒系统”建设项目，对分布式声源定位系统的节点进行设计。通过对相关技术的研究学习以及对节点功能需求的分析，完成了节点的总体方案设计。鉴于传统的声源定位系统在实际工程项目中应用中的局限性，设计了能够快速部署的分布式声源定位系统节点。节点主要包括两个部分:节点自身位姿信息的检测和节点对声源目标的定位。通过对节点自身位姿信息的检测可以使节点达到相对快速的部署，节点自身位姿信息的检测包括节点自身位置信息和姿态信息两个部分的检测。节点对声源目标的定位作为本文研究的主要内容，首先是节点对声源信息的采集，然后是利用时延估计算法对声源目标进行定位。
　　根据对节点的总体设计，搭建了以ARM处理器芯片STM32F407VET6为核心的硬件平台。采用GPS模块和姿态传感器MPU-9250模块实现节点自身位姿信息的检测，采用MEMS声传感器MP45DT02和基于STA321的音频处理模块实现了节点对声源信息的多通道同步采集，并且利用时延估计算法完成了节点对声源目标的定位。最后通过实验对节点进行功能测试，包括节点自身位姿信息检测模块的测试和节点对声源目标定位的测试，实验结果表明快速部署分布式声源定位系统节点的设计可以达到预期目标。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 研究意义与价值

1．3 国内外研究现状

1．4 基于麦克风阵列的声源定位算法

1．4．1 基于高分辨率频谱估计的定位技术

1．4．2 基于最大输出功率的可控波束形成技术

1．4．3 基于到达时延差(TDOA)的定位技术

1．5 主要研究内容和结构安排

1．5．1 本文主要研究内容

1．5．2 论文的结构安排

2 节点总体方案设计

2．1 需求分析

2．1．1 项目的需求分析

2．1．2 项目的工作安排

2．2 研究目标

2．3 主要技术指标

2．4 节点总体方案设计

2．4．1 节点自身位姿信息的检测

2．4．2 节点对声源目标的定位

2．4．3 通信模块

2．5 节点工作流程

2．6 本章小结

3 节点自身位姿信息检测

3．1 传感器模块选型

3．1．1 GPS定位模块

3．1．2 姿态传感器模块

3．2 节点自身位姿信息检测硬件电路

3．2．1 位置信息检测硬件电路

3．2．2 姿态信息检测硬件电路

3．3 节点自身位姿信息检测的软件实现

3．4 本章小结

4 节点对声源目标的定位

4．1 节点对声源目标定位的总体流程

4．2 多通道声源信息的同步采集

4．2．1 声传感器的选型‘

4．2．2 声源信息采集模块方案设计

4．3 基于时延估计的声源定位算法及实现

4．3．1 时延估计的物理意义

4．3．2 常用的时延估计算法及实现

4．3．3 基于时延估计的几何定位算法及实现

4．4 本章小结

5 节点功能测试实验

5．1 实验平台搭建

5．1．1 硬件平台搭建

5．1．2 软件开发工具选择

5．2 节点功能测试实验

5．2．1 节点自身位姿信息检测实验

5．2．2 节点对声源目标的定位实验

5．3 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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