Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации
В статье рассматриваются теоретические и практические вопросы построения системы пеленгации (т.е. определения направления на источник в трех измерениях) слабых звуковых колебаний в воздушной среде. Приводится структура технической реализации системы пеленгации, позволяющая выделить слабый звуковой с...
Saved in:
| Published in: | Штучний інтелект |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56741 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации / С.А. Поливцев, С.Б. Иванова, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2012. — № 1. — С. 237-242. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859461211308949504 |
|---|---|
| author | Поливцев, С.А. Иванова, С.Б. Цыбульник, Е.С. |
| author_facet | Поливцев, С.А. Иванова, С.Б. Цыбульник, Е.С. |
| citation_txt | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации / С.А. Поливцев, С.Б. Иванова, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2012. — № 1. — С. 237-242. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Штучний інтелект |
| description | В статье рассматриваются теоретические и практические вопросы построения системы пеленгации (т.е. определения направления на источник в трех измерениях) слабых звуковых колебаний в воздушной среде. Приводится структура технической реализации системы пеленгации, позволяющая выделить слабый звуковой сигнал (не обязательно голос человека) на фоне помех различного вида, в том числе помех, создающихся движением воздуха. Система ориентирована на применение в подвижных роботах.
У статті розглядаються теоретичні і практичні питання побудови системи пеленгації (тобто визначення напряму на джерело в трьох вимірах) слабких звукових коливань в повітряному середовищі. Наводиться структура технічної реалізації системи пеленгації, що дозволяє виділити слабкий звуковий сигнал (не обов’язково голос людини) на тлі перешкод різного виду, у тому числі перешкод тих, що створюються рухом повітря. Система орієнтована на застосування в рухливих роботах.
In the article the theoretical and practical questions of construction of the system of direction-finding (i.e. direction-findings of a source in three dimensions) of weak voice vibrations in an air environment are examined. The structure of technical realization of the system of direction-finding, allowing to distinguish a weak acoustical signal (not only voice of a human being) on the background of the hindrances of different kind is done, including hindrances created by motion of air. The system is oriented to application in mobile robots.
|
| first_indexed | 2025-11-24T03:31:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Штучний інтелект» 1’2012 237
5П
УДК 004.382
С.А. Поливцев, С.Б. Иванова, Е.С. Цыбульник
Институт проблем искусственного интеллекта
МОН Украины и НАН Украины, г. Донецк
Украина, 83048, г. Донецк, ул. Артема, 118 б
Модель воздушной среды
и 3D реализация системы пеленгации
S.А. Polivtsev, S.B. Ivanova, H.S. Tsybulnik
Institute of Artificial Intelligence
MES of Ukraine and MAS of Ukraine, c. Donetsk
Ukraine, 83048, c. Donetsk, Artema st., 118 b
Model of Air Environment and 3D Realization of System
of the Direction-Findings
С.О. Полівцев, С.Б. Іванова, О.С. Цибульнік
Інститут проблем штучного інтелекту
МОН України і НАН України, м. Донецьк
Україна, 83048, м. Донецьк, вул. Артема 118 б
Модель повітряного середовища та 3D реалізація
системи пеленгації
В статье рассматриваются теоретические и практические вопросы построения системы пеленгации (т.е.
определения направления на источник в трех измерениях) слабых звуковых колебаний в воздушной среде.
Приводится структура технической реализации системы пеленгации, позволяющая выделить слабый звуковой
сигнал (не обязательно голос человека) на фоне помех различного вида, в том числе помех, создающихся
движением воздуха. Система ориентирована на применение в подвижных роботах.
Ключевые слова: пеленгация, звуковой сигнал, робот, бинауральный слух.
In the article the theoretical and practical questions of construction of the system of direction-finding (i.e.
direction-findings of a source in three dimensions) of weak voice vibrations in an air environment are
examined. The structure of technical realization of the system of direction-finding, allowing to distinguish a
weak acoustical signal (not only voice of a human being) on the background of the hindrances of different
kind is done, including hindrances created by motion of air. The system is oriented to application in mobile
robots.
Key words: direction finding, acoustical signal, robot, binaural hearing.
У статті розглядаються теоретичні і практичні питання побудови системи пеленгації (тобто визначення
напряму на джерело в трьох вимірах) слабких звукових коливань в повітряному середовищі. Наводиться
структура технічної реалізації системи пеленгації, що дозволяє виділити слабкий звуковий сигнал (не
обов’язково голос людини) на тлі перешкод різного виду, у тому числі перешкод тих, що створюються
рухом повітря. Система орієнтована на застосування в рухливих роботах.
Ключові слова: пеленгація, звуковий сигнал, робот, бінауральний слух.
Введение
Существует множество моделей распространения звукового сигнала в воздушной
среде, которые учитывают множество параметров среды. В силу множественности па-
раметров эти модели хороши для теоретических рассуждений, но мало пригодны для
Поливцев С.А., Иванова С.Б., Цыбульник Е.С.
«Искусственный интеллект» 1’2012238
5П
практических расчетов. Например, они не учитывают влияние ветра. При этом следует
учитывать, что ветер есть всегда и везде, но разной силы. Следует также учитывать, что
ветер заставляет колебаться мембрану микрофона как под действием звукового давления,
так и под действием потока воздуха. Обычно силу ветра измеряют другими приборами,
например анемометрами, и полученные измерения вводят в модель среды или в кон-
кретные приборы. Предлагается решение, позволяющее не производить измерение силы
ветра, но учитывать его влияние на звуковой сигнал.
Модели и эксперименты в воздушной среде
Известная трехмерная модель распространения звуковой волны в однородной
воздушной среде, находящейся в состоянии покоя и не имеющей резонаторов и ре-
вербераторов, для одного неподвижного источника, создающего звуковое давление p и
скоростей распространения волны u, v и w по координатам x, y, z с плотностью воздуха ρ
и эластичность воздуха k, имеет вид:
0;
du dp
dt dx
(1)
0;
dv dp
dt dy
(2)
0;
dw dp
dt dz
(3)
0
dp du dv dw
k
dt dx dy dz
. (4)
Явно предполагается, что источник и приемник(-и) имеют вид точки.
На выходе каждого сенсора любой физической природы, воспринимающего зву-
ковые колебания, имеется электрический сигнал, содержащий три параметра – на-
пряжение u, частоту f и фазу φ. Эти параметры независимы между собой, но каждый
из них зависит от параметров системы (1) – (4).
Напряжение u или амплитуда размаха сигнала А зависит от чувствительности
сенсора a, коэффициента усиления усилителя Ku, установленного за сенсором, и
расстояния до источника сигнала l:
A = F1{a, Ku, l}. (5)
Частота сигнала f зависит исключительно от свойств источника сигнала. Фаза φ
зависит от расстояния до источника сигнала l:
φ = F2{f, l}. (6)
Если в окружающей среде имеется несколько источников, то следует рассматривать
несколько систем вида (1) – (6). Если некоторые источники подвижны, то в (1) – (6)
следует добавить дифференциальные скорости перемещения источников. Таким образом,
будут учтены варианты сложения звуков в объеме воздуха. Для демонстрации вли-
яния ветра проведем следующий эксперимент.
Имеется следующая экспериментальная система, состоящая из пары высокочувст-
вительных микрофонов, воспринимающих звуковые колебания в диапазоне частот 300 –
6000 Гц. Обозначим эти микрофоны как L (левый) и R (правый), расположим их на
расстоянии 150 мм друг от друга, установим перед L массивный предмет (не закры-
вающий мембрану), создадим искусственный ветер со скоростью движения около 1,4 м/с
(это соответствует скорости движения пешехода, равной 5 км/час) и запишем осцилло-
грамму сигналов на выходе микрофонов. В процессе записи уберем предмет перед L и
продолжим запись осциллограммы при искусственном ветре. Схема эксперимента по-
казана на рис. 1.
Модель воздушной и 3D реализация системы пеленгации
«Штучний інтелект» 1’2012 239
5П
Рисунок 1 – Геометрическая схема эксперимента с ветром
Записанные осциллограммы визуализируем с помощью программы Adobe Audition,
левый микрофон соответствует верхней осциллограмме – рис. 2. Существенность фактора
ветра становится ощутимой при сравнении с осциллограммами записи голоса с этих же
микрофонов, но расстояние до источника голоса равно 4 метрам (рис. 3). Осциллограммы
голоса и эксперимента с ветром приведены в одном и том же масштабе по амплитуде.
При этом обе записи производились не в изолированном помещении, шумы улицы и
помещения также отображены на осциллограммах. В силу этого осциллограммы левого и
правого каналов имеют несколько различный вид даже на одинаковых по условиям и
времени воздействия участках.
Рисунок 2 – Осциллограммы эксперимента с искусственным ветром
Рисунок 3 – Осциллограммы голоса с расстояния 4 метра
По результатам экспериментов с ветром, в выражение (5) следует добавить
фактор ветра, который обозначим символом wh. С учетом ветрового фактора ампли-
туда размаха сигнала на выходе микрофона примет вид:
A = F1{a, Ku, l, wh }. (7)
L
R
Поливцев С.А., Иванова С.Б., Цыбульник Е.С.
«Искусственный интеллект» 1’2012240
5П
Структура системы пеленгации
Существующие сенсоры определения скорости и направления ветра мало при-
годны для установки на роботах. Кроме того, совершенно не существует сенсоров
(по крайней мере, они не описаны в доступной литературе), позволяющие отделить
действие звукового давления от действия потока воздуха. В силу вышеизложенного,
для учета фактора ветра, каждый сенсор должен состоять из двух микрофонов
(кластера микрофонов) – один воспринимает и звуковое давление и движение возду-
ха, второй воспринимает только звуковое давление.
В [1], [2] предлагалась реализация системы бинаурального слуха робота, содержащая
4 микрофона, микроконтроллер для обработки информации с микрофонов и микроконт-
роллер для вычислений направления на источник (для целей собственно пеленгации
источников).
Для учета влияния ветра система должна принять вид, показанный на рис. 4.
Рисунок 4 – Новая структурная схема системы бинаурального слуха
400 KS/pS
F1x
F1y
F1z
F10
50 KS/pS
50 KS/pS
50 KS/pS
50 KS/pS
ADC 16
ADC 16
ADC 16
ADC 16
Micro
Controll
er
№ 1
24
MIPS
FRAM 1G
Micro
Controll
er № 2
100
MIPS
DAC
USB
ANALOG
OUT
DIGITAL
OUT
F2x
50 KS/pS
ADC 16
F2y
50 KS/pS
ADC 16
F2z
50 KS/pS
ADC 16
F20
50 KS/pS
ADC 16
Модель воздушной и 3D реализация системы пеленгации
«Штучний інтелект» 1’2012 241
5П
Практически это означает, что для восприятия звуков с расстояния 0,5 – 5 м и
определения направления на их источник в неспешном движении (со скорость пеше-
хода – около 5 км/ч) необходима система с восемью микрофонами. В реальной окру-
жающей среде существует еще один фактор, порождающий звуковое давление, – полет
насекомых. К сожалению, еще никому не удалось заставить муху или пчелу летать по
заданной траектории, поэтому эксперименты по этому поводу ставить очень трудно,
однако практика измерений показала, что пролет мухи от микрофона на расстоянии 3 –
5 см от микрофона по амплитуде сравним с голосом человека с расстояния 3 м. Единст-
венное, что здесь может выручить – малые размеры насекомого, т.е. при расстоянии между
микрофонами 150 мм полет насекомого воспринимается в основном одним кластером
микрофонов.
В результате реализации предложенной технической системы бинаурального слуха
на выходах АЦП будут получены цифровые потоки сигналов, каждый из которых
содержит информацию обо всех звуковых сигналах в окружающем объеме воздуха.
Разница между потоками состоит в том, что они имеют разное время прихода к микро-
фонам, зависящее от взаимного положения источника и микрофонов. Соответственно
имеется и разница во времени появления сигналов на выходах АЦП. Проще говоря,
сигналы в потоках данных от АЦП похожи, но имеют разное время появления. Для того
чтобы определить разницу во времени появления для любой пары потоков, необходимо
найти «похожие» сигналы, определить степень «похожести» и по определенным пара-
метрам определить относительное время (фазу) запаздывании или опережения сигналов
друг относительно друга. Выполнение этой работы для одной пары микрофонов оп-
ределит несколько областей локализации источника сигнала. Наложение полученных
областей для всех 4 независимых пар микрофонов даст один объем или одну область
локализации источника.
Например, на рис. 5 показаны осциллограммы сигналов от одного источника
на выходах двух кластеров микрофонов – М0 и М1, расположенных на расстоянии
150 мм друг от друга.
Рисунок 5 – Осциллограммы сигналов от одного источника
Сигнал на выходе М1 показан сплошной линией, а сигнал на выходе М0 показан
точками. Визуально сигналы «похожи», но на борту робота некому оценивать эту схо-
жесть сигналов, ее надо выразить в числовом виде с тем, чтобы степень «похожести»
можно было оценить в числовом виде и программно реализовать.
Выводы
Предложенная модель воздушной среды, кластеризация микрофонов, применение
высокопроизводительных микроконтроллеров позволяют построить техническую систе-
Поливцев С.А., Иванова С.Б., Цыбульник Е.С.
«Искусственный интеллект» 1’2012242
5П
му, решающую вопросы пеленгации в звуковом диапазоне в объеме. Система должна
иметь пространственно разнесенные сенсоры, объединенные в кластеры, 16-разрядные
АЦП с частотой дискретизации не менее 50 кГц с тем, чтобы как можно подробнее
учитывать большинство факторов, порождающих сигналы в этом диапазоне. Высокое
разрешение по амплитуде и частоте позволит последующей программе анализа полу-
чить более точные данные для анализа сигналов.
Литература
1. Поливцев С.А. Система бинаурального слуха робота. / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник // Искусственный
интеллект. – 2009. – № 4. – С. 317-321.
2. .Патент Украины № 87510. Синфазная система шумоподавления / Поливцев С.А., Шевченко А.И.;
выдан 4 июня 2009 г.
Literatura
1. Polivcev S.A. Iskusstvennyj intellekt. № 4. 2009. S. 317-321
2. Polivcev S.A., Shevchenko A.I. Patent Ukrainy № 87510. Sinfaznaja sistema shumopodavlenija; vydan 4
ijunja 2009 r.
S.А. Polivtsev, S.B. Ivanova, H.S. Tsybulnik
Model of Air Environment and 3D Realization
of System Direction Findings
In the article, the theoretical and practical questions of construction of the system of
direction finding (i.e. direction-findings of a source in three dimensions) of weak voice vibrations
in an air environment are examined. The structure of technical realization of the system of
direction-finding, allowing to distinguish a weak acoustical signal (not only voice of a human
being) on the background of the hindrances of different kind is done, including hindrances
created by motion of air. The system is oriented to application in mobile robots.
There is a great number of models of distribution of acoustical signal in air environment,
which take into account the great number of parameters of environment. By virtue of multiplicity
of parameters, these models are good for the theoretical reasoning but they are of little avail for
practical calculations. For example, they do not take into account the influence of wind. It is
necessary to take it into account, as the wind is always and everywhere but its force is different. It
is also necessary to take into account that the wind compels to hesitate membrane of a
microphone as well under the action of voice pressure as under the action of blast. The force of
the wind is usually measured by other devices, such as anemometers, and the testing measu-
rements are carried in the model of environment or in concrete devices. Solution, which allows
not take measurement of wind force but to take into account its influence on an acoustical signal,
is offered.
The offered model of air environment, clusterization of microphones, application of high-
performance microcontrollers allows to build the technical system, to solve the problems of
direction finding in a voice range of volume. The system must have spatially set about the touch-
controls incorporated in clusters, 16 bit ADC with frequency of discretization no less than 50
kHz to take into account most factors for originative signals in this range as detailed as possible.
High-resolution on amplitude and frequency will allow to the subsequent program of analysis to
get more exact data for the analysis of signals.
Статья поступила в редакцию 02.12.2011.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56741 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T03:31:42Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Поливцев, С.А. Иванова, С.Б. Цыбульник, Е.С. 2014-02-22T23:55:43Z 2014-02-22T23:55:43Z 2012 Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации / С.А. Поливцев, С.Б. Иванова, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2012. — № 1. — С. 237-242. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56741 004.382 В статье рассматриваются теоретические и практические вопросы построения системы пеленгации (т.е. определения направления на источник в трех измерениях) слабых звуковых колебаний в воздушной среде. Приводится структура технической реализации системы пеленгации, позволяющая выделить слабый звуковой сигнал (не обязательно голос человека) на фоне помех различного вида, в том числе помех, создающихся движением воздуха. Система ориентирована на применение в подвижных роботах. У статті розглядаються теоретичні і практичні питання побудови системи пеленгації (тобто визначення напряму на джерело в трьох вимірах) слабких звукових коливань в повітряному середовищі. Наводиться структура технічної реалізації системи пеленгації, що дозволяє виділити слабкий звуковий сигнал (не обов’язково голос людини) на тлі перешкод різного виду, у тому числі перешкод тих, що створюються рухом повітря. Система орієнтована на застосування в рухливих роботах. In the article the theoretical and practical questions of construction of the system of direction-finding (i.e. direction-findings of a source in three dimensions) of weak voice vibrations in an air environment are examined. The structure of technical realization of the system of direction-finding, allowing to distinguish a weak acoustical signal (not only voice of a human being) on the background of the hindrances of different kind is done, including hindrances created by motion of air. The system is oriented to application in mobile robots. ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Штучний інтелект Интеллектуальные робототехнические системы Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации Модель повітряного середовища та 3D реалізація системи пеленгації Model of Air Environment and 3D Realization of System of the Direction-Findings Article published earlier |
| spellingShingle | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации Поливцев, С.А. Иванова, С.Б. Цыбульник, Е.С. Интеллектуальные робототехнические системы |
| title | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации |
| title_alt | Модель повітряного середовища та 3D реалізація системи пеленгації Model of Air Environment and 3D Realization of System of the Direction-Findings |
| title_full | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации |
| title_fullStr | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации |
| title_full_unstemmed | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации |
| title_short | Модель воздушной среды и 3D реализация системы пеленгации |
| title_sort | модель воздушной среды и 3d реализация системы пеленгации |
| topic | Интеллектуальные робототехнические системы |
| topic_facet | Интеллектуальные робототехнические системы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56741 |
| work_keys_str_mv | AT polivcevsa modelʹvozdušnoisredyi3drealizaciâsistemypelengacii AT ivanovasb modelʹvozdušnoisredyi3drealizaciâsistemypelengacii AT cybulʹnikes modelʹvozdušnoisredyi3drealizaciâsistemypelengacii AT polivcevsa modelʹpovítrânogoseredoviŝata3drealízacíâsistemipelengacíí AT ivanovasb modelʹpovítrânogoseredoviŝata3drealízacíâsistemipelengacíí AT cybulʹnikes modelʹpovítrânogoseredoviŝata3drealízacíâsistemipelengacíí AT polivcevsa modelofairenvironmentand3drealizationofsystemofthedirectionfindings AT ivanovasb modelofairenvironmentand3drealizationofsystemofthedirectionfindings AT cybulʹnikes modelofairenvironmentand3drealizationofsystemofthedirectionfindings |