一種新型遙控式陣列定位及生命探測裝置

葉 倩，王彩霞，田楊萌，楊思琪，劉 琳

（北京信息科技大學 理學院，北京 100192）

0 引 言

火災是自然災害與社會災害中發生概率最高的一種災害，火災發生地由于建筑、物質、火源的多樣性與人員復雜性，消防條件和氣候條件的差異性，使得災害發生發展過程中的救援變得極為復雜[1]。對于有遮擋物或在嚴重影響視線的環境條件下，給身處危險之中的人員施救造成了很大的障礙。以往的生命探測儀大部分需要手持，探測距離受限，探測效率低下。普遍使用的雷達探測儀雖會對探測區域進行掃描，但在有障礙物的情況下，很難做到全方位無死角探測。因此，研究能夠在視線差、干擾多、探測距離受限等惡劣環境下的探測裝置來實現簡單、有效、快速的定位非常必要。

音頻定位技術主要基于麥克風陣列[2]的應用，采用固定排列的麥克風陣列獲取聲音信號，然后通過特定算法進行數據處理，最終得到所需信息。基于麥克風陣列的音頻定位方法目前主要分為基于高分辨率譜的定位方法，最大輸出功率的可控波束形成定位方法[3]，基于信號到達各麥克風的時間延遲（Time Different of Arrival, TDOA）估計定位方法。波束形成算法因其遠場測量精度優勢而被廣泛應用。相比TDOA技術，波束形成算法基于陣列傳感器上各陣元接收的信號，算法為陣列輸出選擇適當的加權矢量以補償每個陣列元素的傳播延遲，使得陣列輸出可以在某個期望方向上以相同方向疊加，從而實現對原始信號的方向定位，具有更好的精度和適用范圍，使陣列在該方向產生主瓣束，并在某個方向對干擾進行一定程度的抑制[4]。

本設計利用運動音頻傳感器陣列獲取音頻信號，通過捷聯慣導系統獲取音頻傳感器陣列的運動軌跡及變化速度，結合坐標變換并基于麥克風陣列的波束形成聲源定位[5]算法計算聲源位置，并基于物聯網技術實現實時搜救。

1 探測原理

1.1 陣列及波束形成簡介

波束形成又被稱為空域濾波。波束形成[6]是根據聲源物理位置來區分信號的最簡單方法，被廣泛用于定向傳輸或接收信號領域。波束形成算法為陣列輸出選擇適當的加權矢量以補償每個陣列元素的傳播延遲，使得陣列輸出可以在某個期望方向上以相同方向疊加，并在某個方向對干擾進行一定程度的抑制。對各陣元輸出信號加權求和、濾波，最終輸出期望方向的語音信號，相當于形成一個“波束”[7]。波束形成器的基本系統模型如圖1所示。盡管陣列的各陣元為全向同性陣元，但對陣列輸出進行加權求和處理后，可使某個方向的信號同相相加，即將天線陣列波束“導向”該方向，獲得最大的輸出增益。

圖1 波束形成基本系統模型

目前，根據波束形成的權系數與陣列接收信號是否有關將波束形成主要分為兩類，一類是固定波束形成算法，如延遲相加波束形成算法，它的波束形成的權系數與陣列接收信號無關；另一類是自適應波束形成算法，如基于廣義旁瓣抵消（GSC）結構和線性約束最小方差（LCMV）結構的自適應波束形成算法，它的波束形成的權系數與陣列接收信號相關。

對于固定波束形成，最常用的也是最傳統的方法，即延遲相加波束形成算法。由于麥克風陣列中每個麥克風的位置不同，因此接收到語音信號的時間不同，選定一個麥克風作為參考麥克風，計算出目標聲源到達參考麥克風的時間，然后計算其他通道（即麥克風陣列陣元）相對于此參考麥克風的時延，通過時間補償使各通道的語音信號同步，將各通道的信號相加，使目標方向的信號同相疊加得到增強，等效于陣列波束圖的主瓣對準目標方向，其他方向相比于主瓣方向均有不同程度的削弱。

1.2 陣列聲定位算法

如圖2所示，以均勻線性陣列為例，設有M個陣元，信號到達方向為θ，目標信號為s(t)，則第M個陣元相對參考麥克風接收到的信號為s(t-τm)，傅里葉變換如下：

麥克風陣列接收的信號可以表示為：

式中：τm表示麥克風陣列的陣元m相對于參考陣元接收到的語音信號時間差；dm表示陣元m相對參考麥克風間的距離；ω為接收信號的載波角頻率；v為聲速。

式中，W(θ)為陣元的響應矢量。在延遲相加算法中，每個陣元的權值為該陣元相對參考陣元需要補償的相位延遲，即陣元響應向量的共軛轉置。

因此，麥克風陣列的輸出信號可表示為：

式中：M個陣元為M個通道；WH為W矩陣的共軛轉置；n為陣列間距個數。將每個通道的數據乘以其相應的權系數再相加。利用自適應波束成形算法求得的權矢量為：

經過自適應波束成形算法處理后的語音信號的輸出數據為[8]：

輸出的陣列方向圖為：

式中，a(θ)為陣列的導向矢量。

權矢量不同，陣列信號經波束形成器后的輸出也不同，所以自適應波束形成的目的是選擇最優權，使波束形成器的信噪比達到最大。

1.3 聲源定位算法中運動陣列坐標變換

傳統的陣列一般采用固定的麥克風音頻陣列定位移動的聲源，或采用移動的麥克風陣列定位靜止的聲源，但算法不能直接使用，需要進行坐標轉換，使其相對坐標轉化為以往的常規坐標，之后再通過捷聯慣導系統采集無人機的坐標。音頻傳感器陣列安裝在無人機上，采集的無人機坐標即為音頻傳感器陣列的坐標。將音頻傳感器陣列關聯至捷聯慣導系統，用于測定運動中的音頻傳感器陣列的運動軌跡及速度變化。

得到音頻傳感器陣列的坐標后，采用三維轉換方法進行坐標轉換，利用公共點，即同時具有WGS84直角坐標和地方坐標的直角坐標的點位，一般需要3個以上重合點，通過布爾莎模型或其他模型計算，得到從一個系統轉換到另一個系統的平移參數、旋轉參數和比例因子。具體包括計算公共點的重心、推算 WGS84 與地方橢球間的平移參數、地圖投影應用于 WGS84 坐標點、確定二維轉換參數、建立高程插值模型。首先搜集應用區域內GPS“B”級網3個以上網點WGS84坐標系B、L、H值，及我國坐標系B、L、h、x值（B、L、H分別為大地坐標系中的大地緯度、大地經度及大地高，h、x分別為大地坐標系中的高程及高程異常，N為該點的卯酉圈曲率半徑，e為橢球第一偏心率，A為橢球長半徑。各參數可以通過各省級測繪局或測繪院具有“A”級、“B”級網的單位獲得）。計算不同坐標系三維直角坐標值，計算公式如下：

2 生命探測裝置系統設計

本研究設計了一種遙控式生命探測裝置，以解決現有技術中生命探測儀使用場景受限、探測效率低下的問題。此設計的技術關鍵點如下：

（1）音頻傳感器陣列是運動的、可遙控的；

（2）陣列定位算法是本研究的關鍵，該技術基于目前的波束形成算法，經過運動和靜止坐標系的轉換實現運動陣列定位的結果顯示；

（3）使用捷聯慣導系統測量陣列的運動軌跡及其速度；

（4）定位系統采用GMS傳送數據到云平臺，使用物聯網技術實現數據和信息的交互和共享。

此設計將陣列固定在無人機上，通過控制無人機的航線實現音頻傳感器陣列的運動，利用運動的音頻傳感器陣列拾取靜止的待搜救人員的音頻信號，使用單片機進行音頻信號的處理和采集，利用GSM技術實現相對遠距離的數據傳輸，利用三維坐標轉換實現音頻傳感器陣列和聲源的坐標轉換，以適應現有算法，并實現對靜止待搜救人員的定位。該生命探測儀能夠被方便、快捷地投放到待測目標區域，并最大限度利用火災現場上部有利空間進行探測，根據需要隨時改變或調整搜救范圍，解決因障礙物遮擋帶來的定位盲區與探測距離遠等問題，生命定位搜尋功能更優。

2.1 系統整體框架

本系統主要由控制器、無人機、音頻傳感器陣列、信號處理及采集模塊和數據傳輸模塊構成，系統結構如圖2所示。

圖2 音頻探測系統設計流程

該裝置包括控制器、無人機、音頻傳感器陣列、信號處理及采集模塊、數據傳輸模塊和PC端?？刂破饔糜诟鶕C端的控制信號控制無人機的飛行航向，實現在復雜環境下的無人機搜救工作。音頻傳感器陣列安裝在無人機上，與信號處理及采集模塊連接。信號處理及采集模塊和數據傳輸模塊連接，數據傳輸模塊通過云平臺與PC端進行數據傳輸。

此控制器可通過無線通信技術實現與PC端的通信，以及對無人機的控制，有助于無人機在復雜環境下開展搜救工作，如搜救火災現場被困人員，在大霧彌漫的深山中搜救迷路游客，在雨雪天氣對身處其中的人員精準定位并施救，抓捕躲藏在有遮擋物空間的逃犯或犯罪嫌疑人等。

2.2 系統信號處理

音頻傳感器陣列拾取的信號為模擬信號，而單音頻傳感器只有信號拾取功能，能夠識別信號但無信號采集功能，因此需要借助具有模數轉換功能的信號處理及采集模塊。信號采集部分使用具有高性能、低功耗的STM32F407系列單片機。

本設計選取的STM32是Cortex_M4最高168 MHz主頻帶DSP，外圍設備的擴充量較強，GPIO的功能選擇和精度較高。在STM32單片機外設接GMS模塊以搭建云平臺。STM32系列單片機內置3個ADC控制器，可獨立使用，通過使用雙重/三重模式提高采樣率，具有體積小、易操作、便攜帶等優點。

2.3 無人機的捷聯慣導系統

2.3.1 無人機應用現狀及機體坐標系選取

自20世紀60年代開始，對無人機的研究多以靶機和民用無人機為對象[9]。近年來，我國無人機在飛控系統、語音傳輸、組合導航、圖像拍攝、傳感器等諸多技術領域積累了豐富經驗，故利用無人機能夠解決現有技術中生命探測儀使用場景受限、探測效率低的問題。

2.3.2 捷聯慣導系統及其應用

捷聯慣導系統是一種無框架系統，由3個速率陀螺、3個線加速度計和微型計算機組成，能精確提供載體的姿態、地速、經緯度等導航參數[10]。對捷聯慣導系統而言，平臺的作用和概念體現在計算機中，它是寫在計算機中的方向余弦陣。直接安裝在載體上的慣性元件測得相對慣性空間的加速度和角加速度均為沿載體軸的分量，將這些分量經過坐標轉換方向余弦陣后轉換為要求的計算機坐標系內的分量。如果該矩陣可以描述載體和地理坐標系間的關系，那么載體坐標系測得的相對慣性空間的加速度和角速度經轉換后便可得到沿地理坐標系的加速度和角速度分量，導航計算機便可根據相應的力學方程求解要求的導航和姿態參數。捷聯慣導系統原理框圖如圖3所示。

圖3 捷聯慣導系統原理

相比靜止的音頻傳感器陣列，遙控或運動的音頻傳感器陣列能夠方便、快捷地投放到待測目標區域，并根據需要隨時改變或調整搜救范圍，解決因障礙物遮擋帶來的定位盲區問題。運動音頻傳感器陣列載體（如無人機）的運動軌跡及速度變化的準確測定是實現運動音頻傳感器陣列定位算法的關鍵，運動軌跡及速度變化的微小誤差都可能導致陣列聲源定位出現較大誤差。故遙控或運動的音頻傳感器陣列使用先進的捷聯慣導對陣列運動軌跡及速度變化進行準確測定，實現對待搜救人員的準確定位和搜尋。

3 結 語

在各種災害中，火災是發生頻率最高也最普遍的災害。本研究設計了一種遙控式生命探測裝置[11]，通過控制載有平面麥克風陣列的無人機實現音頻傳感器陣列的運動，利用運動的音頻傳感器陣列和單片機拾取、采集靜止的待搜救人員的音頻信號，利用三維坐標轉換實現音頻傳感器陣列和聲源的坐標轉換，以適用于現有定位算法。該生命探測儀解決了現有技術中生命探測儀使用場景受限、探測效率低的問題，具有重要的現實意義。