机器人声源定位系统实验设计与实现

基于嵌入式系统完成了机器人声源定位系统的设计,设计了麦克风阵列和采集电路,并基于互相关函数估计时延法的机器人声源定位算法,实现了机器人声源定位;设计并实现了机器人声源定位演示实验和机器人声源定位半开放实验,实验效果达到预期实验设计的目标。     

二值子带加权时延估计及其应用

阐述了基于广义互相关(GCC)的互功率谱相位(CPSP)时延估计算法的基本原理,指出它在处理麦克风阵列接收信号时,使用整个频带估计时延存在的不足.提出了二值子带加权互功率谱相位时延估计算法(BSBW-CPSP).首先,在时域对所有通道的接收信号进行子带分解;之后,根据目标信号非活动时,各个子带的能量大小,给每个子带赋予一个二值权重;接着,在所有权重为1的子带分别利用CPSP算法估计时延;最后,求它们的平均值作为最终的时延估计值,并把它应用于声源定位.实验结果表明,与CPSP算法相比,BSBW-CPSP时延估计算法具有更高的精度,算法是有效可行的.     

声源定位算法反馈机制的引入

近年来人们对声源定位实时性的需求不断提高,实时性要求在采集较短的音频情况下实现准确定位。通过麦克风阵列的几何分布,在时延估计定位算法引入一种普适的反馈机制以提高声源定位的准确性。利用Matlab编写仿真程序在二维平面内进行定位仿真,对比引入反馈机制前、后的定位效果。仿真结果表明,引入反馈机制后声源定位算法的抗噪性、抗混响性和稳定性均有不同程度的提高。搭建一套声源定位设备进行实际测试,实验结果表明,大多数声源坐标估计值和实际值的偏差在1 cm以内,实现了cm级的定位。这为噪声场中声音信号的处理提供了更多的可能性,例如实现更高性能的降噪。     

基于空域互相关矩阵的声源延时估计方法

系统地研究了基于麦克风阵列的声源定位方法,提出了一种基于空域互相关矩阵的延时估计方法。通过仿真实验证明该方法简单、直接,并且能够在增加麦克风数量的情况下很好地抑制噪声和混响所带来的影响。     

信号处理综合实验教学设计与实践

在项目驱动教学模式下，设计了水听器阵列方位估计的多目标层次化综合实验教学案例。实验以水听器阵的方位估计技术为主线，涵盖波束形成、最小方差无失真响应波束形成、多重信号分类和压缩感知类等方位估计方法，通过计算机模拟仿真和湖上试验数据处理实验两个模块内容的有机结合，提高学生学习兴趣，激发学习动力，训练工程思维，培养学生创新思维和处理复杂工程问题的能力。     

TEM喇叭天线阵列辐射特性研究

应用FDTD方法分析TEM喇叭天线阵列的瞬态辐射特性，分析了阵列单元之间的互耦对天线阵列远场辐射的影响。TEM喇叭天线阵列单元沿E面叠状排列可以改善阵列的低频辐射。原理上阵元越多，天线阵列的增益越高。而线性阵列只压缩一个面的方向图。改变阵列单元间馈入信号的时延，可以实现阵列方向图主辩方向的偏移。用半TEM喇叭天线组成槽状排列二元线阵和四元线阵，进行了相应的原理性实验，实验结果与理论数值模拟基本一致。     

一种多径环境下麦克风阵列时延估计算法

针对多径环境下麦克风阵列时延估计问题,将归一化最小均方误差法(NLMS)与互关联法(CR)相结合,提出了NLMS-CR算法.对算法的结构及原理作了详细分析,并与传统的相位变换广义互相关法(GCCPHAT)、NLMS进行比较;同时,在不同的信噪比(SNR)与声源环境下验证算法的效能.仿真结果表明:在较严重的多径环境下,NLMS-CR的性能优于其它传统的算法;当信噪比较高且接收信号相关性较低时,NLMS-CR具有很高的时延估计准确率.     

麦克风四元阵全向声源定位系统设计与实现

设计并实现了一种基于Cortex-M3内核的小型化、低功耗声源定位系统。系统采用4个麦克风传感器构成声源定位矩阵。基于意法半导体公司的STM32F103FZET6硬件平台,利用其内部的高速中断以及微秒级的定时器辅以相关外设电路,快速捕捉声源位置并进行计算定位。实验结果表明,系统定位精度良好,适合应用在军事、工业控制、机器人声源定位等领域。     

基于麦克风阵列的声源定向教学实验系统设计

定向实验是帮助雷达、声纳、通信专业的学生理解波束形成、目标定向等概念的重要手段.现有的实验往往需要在消声水池、微波暗室等大型实验室内进行,设备昂贵、场地有限,不适宜为广大初学者开设实验.基于廉价的麦克风阵列设计实现了一套空气声源定向实验系统,它用PC机采集卡采集信号,以步进电机、激光笔进行目标指示,并用Matlab GUI编制了软件系统图形化界面和多种阵列处理算法.实验系统测试结果表明,该系统对宽带语音声源具有时域频谱分析和空域波束定向的能力,在单目标定向时具有较高的精度和稳定度,在多目标定向时也有一定的分辨能力.     

无线传感网中低功耗的多声源定位与跟踪

针对传统的无线传感网中多声源定位与跟踪功耗高、定位精度低以及适应环境能力弱等问题,提出了基于完全分布式结构的低功耗鲁棒性多声源定位方法。首先构造完全分布式结构的无线传感器网络,然后建立含混合噪声的声源信号模型。在此基础上采用EM算法的E步完成传感器检测信号总能量的分解,针对每个节点利用M估计完成声源位置的估计;利用鲁棒性均值一致性算法对每个节点所得的估计值进行融合以得声源位置的全局估计值,进一步提高定位精度;最后利用仿真实验验证了算法的有效性。     

声光检测在人员搜救中的应用研究

各种自然灾害发生时,对生命的搜救是重中之重.设计了一种基于声源和红外光线的人员搜救系统.在该系统中采用四个麦克风构成平面阵列,实时监测周围环境的声音信号,当侦测到声音信号时,通过测量麦克风之间的时间差,换算出与声源的距离、俯仰角及方位角.红外探测模块实时侦测周围的生命体,再次确保搜救工作的准确可靠.整个系统在STM32F407平台基础上设计完成,通过运行和测试,验证了此方案的准确可行.     

LabVIEW阵列语音处理系统实验平台设计

介绍了基于LabVIEW麦克风阵列语音处理系统实验平台的设计。该平台LabVIEW的前面板采用模块化设计,包括语音采集模块、语音分析模块和语音增强模块三部分。采集模块利用PXI设备对语音源信号进行阵列同步实时采集;分析模块对采集到的语音信号进行语音特征分析,前面板还设置帧长和帧间重叠数等参数调节模块;增强模块采用阵列波束形成算法对采集模块采集到的语音信号进行增强处理。该模块采用LabVIEW与Matlab相结合,即利用LabVIEW前面板调用阵列波束形成Matlab程序包来完成,阵列波束形成算法也可以自行修改。计算机仿真实验结果验证了该实验平台的有效性。     

基于谱减的双元指向传声器阵列语音增强

设计了一种结构简单的用于语音增强的双元指向性传声器阵列,利用阵列中不同方位阵元对目标信号和干扰信号的增益不同的特点,有效估计噪声信号的功率谱,再利用传统谱减算法的思想,实现语音增强。实验结果表明提出的算法是有效的,与经典的谱减算法相比具有更佳的语音增强效果。     

智能配用电网实验系统构建与应用

针对智能电网信息工程专业的多学科交叉性,在发-变-输电力网上设计了智能电表信息采集、通信和监控站等智能化单元,构建了工业级智能配用电网实验系统,突显智能电网的信息化和智能化。基于该实验系统设计了包含专业基础实验、综合设计实验和探索创新实验的多层次实验方案,并开展了学生竞赛和科技创新活动。实践表明,该实验系统可以培养学生解决智能电网现场问题的能力,增强学生的实践创新能力,为新兴特色专业的建设和创新人才的培养提供了较好的支撑,具有良好的推广性。     

基于RFID反向散射的标签定位实验平台

介绍了基于测距定位方法的基本工作原理,设计了一套基于射频识别反向散射的标签定位实验平台。该实验平台包括1个后端服务器、1台英频杰阅读器、多个RFID天线和1个标签。RFID天线的位置已知,作为信标节点并由阅读器控制,标签位置未知。由天线发送射频信号,信号到达标签后经反向散射返回天线,阅读器测得射频信号经由传输路径的相位变化,基于射频信号的传输模型估计天线和标签之间的距离,并结合天线的位置信息,利用极大似然估计方法估计标签的位置信息。该实验平台涵盖了射频通信、信号分析和处理以及定位算法等内容,有助于学生深入学习和理解基于RFID定位方法的原理和应用,能够培养和提高学生针对复杂工程问题的创新能力和工程实践能力。     

四元平面十字阵的声音目标被动定位算法奇异值情况分析

阵型的选择是声音目标被动定位的关键技术之一。讨论和分析了基于四元平面十字阵的声音目标被动定位原理;利用目标与基阵平台分布在不同平面的特点,研究了采用简单的平面阵实现目标的三维定位,简化了布阵的复杂性。并针对基于四元平面十字阵的声音目标被动定位算法,分析了奇异值产生的原因,以及水平方位角、垂直俯仰角、时延估计精度、目标距离、基阵尺寸等因素对奇异值产生的影响。     

基于项目驱动的工业机器人实验设计和开发

工业机器人综合了机械、自动化、计算机等多学科技术,是智能制造系统中的重要单元。在课程实践中,将工业机器人作为一种机电产品进行系统设计和控制操作。基于ABB六轴工业机器人实验平台,以企业工程应用和自主设计任务作为创新性设计实验项目内容,进行工业机器人三维建模、控制系统设计、程序开发和动作执行。在工业机器人课程中应用后,取得了明显的效果,有助于学生更好地掌握工业机器人基本理论和项目开发,培养了学生的设计开发能力、实践动手能力和创新设计能力,并能使学生更好地理解工业机器人单元在智能制造系统中的作用。     

一种特征向量正交的MIMO阵列多目标检测方法

正交波形MIMO雷达各阵元发射相互正交的信号波形,利用波形分集虚拟扩展阵列孔径,提高阵列系统自由度,采用低增益的宽波束照射探测空域从而获得比相控阵雷达更加优越的检测和估计性能.利用信号子空间和噪声子空间特征向量的正交性,提出MIMO阵列特征向量检测技术(EDT)多目标检测方法(MIMO-EDT),突破了传统相控阵列EDT方法只能检测小夹角目标的限制,并与常规阵列算法作比较,通过计算机仿真说明MIMO-EDT方法多目标检测能力优于传统相控阵EDT方法.     

麦克风阵列语音增强的二维FIR滤波器设计

当不能准确估计声源个数以及波达方向时,基于传统波束形成的语音增强的性能大为降低。根据手持通信设备的特点,提出一种利用麦克风阵列进行噪声及干扰抑制的方法。该方法采用具有扇形结构通带的二维FIR滤波器,利用楔形过渡带,实现指定角度内宽带语音的波束形成,用来抑制期望主瓣外的噪声和干扰。仿真实验表明了该滤波器的有效性。     

基于EFPI光纤传感器的仿生耦合相位差放大

针对传统声测向阵传感器在恶劣环境和小尺寸条件下工作不稳定和失效的问题,提出了一种基于EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer)光纤传感器的仿生耦合相位差放大技术。首先通过制作的双F-P腔光纤传感器实现对声音信号的动态解调,F-P腔设计时,不需要考虑初始腔长差对解调结果的影响;实验过程中测量的声音信号为5 kHz,解调后的功率谱与声音信号频率一致;然后在传统阵列测向的基础上,引入奥米亚棕蝇听觉耦合机制。实验过程中改变声波入射角度(由0°变为30°),两路信号的相位差被显著放大;耦合后的信号时延相较于原始信号可以放大到15倍,进而提高时延对波达方向角的灵敏度。