Embedded systém pro lokalizaci zdroje zvuku

Ing. Petr DOSTÁLEK

Doctoral thesis

Embedded system for acoustic source localization

Abstract:

Disertační práce se zabývá problematikou lokalizace zdroje zvukového signálu pomocí mikrofonního pole se zaměřením na aplikace v bezpečnostních systémech. V teoretické části se zaměřuje na popis základních algoritmů používaných pro vyhodnocování signálů získaných z mikrofonních jednotek tvořících mikrofonní pole s pevně danou geometrií. Konkrétně se jedná o dvě metody: určení polohy zdroje zvuku odhadem časových zpoždění dopadu zvukové vlny na mikrofonní pole a určení polohy zdroje zvuku pomocí beamformingu. Praktická část práce se zabývá návrhem měřicího subsystému vlastního lokalizačního systému, který je tvořen mikrofonními jednotkami a zesilovači s integrovanými antialiasing filtry. Takto získaný nízkofrekvenční analogový signál je přiváděn na vstupy vyhodnocovací jednotky. Díky odlišným požadavkům implementovaných metod vyhodnocování na vlastnosti měřicího řetězce byly realizovány dvě verze subsystémů pro snímání zvukového signálu tak, aby co nejlépe vyhovovaly použité vyhodnocovací metodě. Dále je zde proveden výběr vhodného typu embedded systému pro realizaci vybraných detekčních algoritmů. Obě metody jsou vzájemně porovnány z hlediska jejich vhodnosti pro různé typy lokalizačních úloh. Vyvinutý zvukový lokalizační systém je složen ze tří základních komponent: mikrofonního pole s geometrickou konfigurací danou příslušnou metodou vyhodnocování, 16 kanálového zesilovače s integrovaným antialiasing filtrem a vyhodnocovacím embedded systémem na bázi kompaktního průmyslového počítače v provedení se zvýšenou odolností. Realizované programové vybavení podporuje vyhodnocování úhlu dopadu zvukové vlny pomocí dvou metod: metody stanovení časových diferencí dopadu zvukové vlny na mikrofonní pole a metody založené na beamformingu s využitím beamformeru typu zpoždění a součet. Vyhodnocovací systém taktéž podporuje vzdálené připojení prostřednictvím RS232 komunikační linky, kdy je možné jak parametrizovat jednotlivé funkce lokalizačního systému, tak i přijímat výsledky lokalizace pomocí znakového komunikačního protokolu.

Abstract:

This thesis deals with acoustic source localization using microphone array with focus on security systems. Theoretical part of the work is focused on description of basic algorithms used for processing of signals captured from microphone units which are formed into microphone array with fixed geometry. Two different methods are presented: sound source localization using evaluation of time differences of sound wave arrival and acoustic source positioning using beamforming. Experimental part deals with design of localization system sensory subsystem consisting of microphone units and amplifiers with integrated antialiasing filters. Obtained low-frequency audio signal is then connected to analog inputs of evaluation unit. Due to different requirements of the implemented evaluation methods on sensory subsystem properties, two versions of sensory subsystems were developed to best satisfy established demands. Next an embedded system suitable for executing localization algorithms is proposed. Both methods are mutually compared with regard to suitability for various types of localization tasks. Developed sound source localization system is composed of three basic components: microphone arrays with geometry configuration determined by chosen method, 16 channel amplifier with integrated antialiasing filter or 2 three-channel automatic gain controller amplifiers and evaluation unit based on compact industrial embedded computer. Created program equipment supports two methods for acoustic source localization: time difference of sound wave arrival evaluation with hyperbolic localization algorithm and beamforming with utilization of delay and sum digital beamformer. Evaluation unit also supports remote connection with supervisory system using RS232 communication interface enabling parameterization of each locator and sending localization results using character-based communication protocol.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 2. 2010

Identifier: 17862

Thesis defence

• Date of defence: 25. 6. 2010

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Doctoral programme / field:
Chemical and Process Engineering / Technical Cybernetics