Система бинаурального слуха робота
В статье предлагается вариант практической реализации системы бинаурального слуха, под которым
 понимается слух, присущий человеку и многим представителям животного мира. Многочисленные свойства
 бинауарального слуха реализуются путем операций над образами акустических сигналов, полу...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8188 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Система бинаурального слуха робота / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2009. — № 4. — С. 317-320. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860231524131012608 |
|---|---|
| author | Поливцев, С.А. Цыбульник, Е.С. |
| author_facet | Поливцев, С.А. Цыбульник, Е.С. |
| citation_txt | Система бинаурального слуха робота / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2009. — № 4. — С. 317-320. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | В статье предлагается вариант практической реализации системы бинаурального слуха, под которым
понимается слух, присущий человеку и многим представителям животного мира. Многочисленные свойства
бинауарального слуха реализуются путем операций над образами акустических сигналов, получаемых с
массива микрофонов. Предлагается метод определения геометрических координат источника в пространстве
по известным углам сдвига фаз звукового сигнала. Сдвиг фаз определяется для каждой пространственной
координаты отдельной парой сенсоров. Показано, что принцип определения локализации источника по
фазовому сдвигу позволяет определить положение источника с точностью до некоторой поверхности.
У статті пропонується варіант практичної реалізації бінаурального слуху, під яким розуміється слух,
що властивий людині та багатьом представникам тваринного світу. Багаточисельні якості бінаурального
слуху реалізуються шляхом операцій над образами акустичних сигналів, що отримуються з масиву
мікрофонів. Проронується метод визначення геометричних координат джерела у просторі за відомими
кутами зсуву фаз звукового сигналу. Зсув фаз визначається для кожної просторової координати окремою
парою сенсорів. Наочно наведено, що принцип локалізації джерела за фазовими зсувами дозволяє визначити
положення джерела з точністю до деякої поверхні.
In article the variant of practical realization of system binaural hearing which is understood as hearing inherent in the
person and many representatives of fauna is offered. Numerous properties binaural hearing are realized by operations
above images of the acoustic signals received from a array of microphones. The method of definition of geometrical
coordinates of a source in space on known is offered to corners of shift of phases of a sound signal. Shift of phases is
determined for each spatial coordinate in separate pair sensor controls. It is shown, that the principle of definition of
localization of a source on phase shift allows to determine position of a source about accuracy up to some surface.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:21:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
«Штучний інтелект» 4’2009 317
6П
УДК 004.382
С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник
Институт проблем искусственного интеллекта МОН Украины и НАН Украины
г. Донецк, Украина
info@iai.donetsk.ua
Система бинаурального слуха робота
В статье предлагается вариант практической реализации системы бинаурального слуха, под которым
понимается слух, присущий человеку и многим представителям животного мира. Многочисленные свойства
бинауарального слуха реализуются путем операций над образами акустических сигналов, получаемых с
массива микрофонов. Предлагается метод определения геометрических координат источника в пространстве
по известным углам сдвига фаз звукового сигнала. Сдвиг фаз определяется для каждой пространственной
координаты отдельной парой сенсоров. Показано, что принцип определения локализации источника по
фазовому сдвигу позволяет определить положение источника с точностью до некоторой поверхности.
Введение
Под бинауральным слухом понимается система восприятия и анализа звуковых
сигналов окружающей среды, подобная той, которой обладают люди и ряд живот-
ных. Принято считать, что система бинаурального слуха состоит из двух сенсоров
(ушей) и системы обработки информации (головной мозг). Данная конфигурация
системы позволяет человеку и животным ориентироваться в окружающем мире, об-
щаться между собой, развиваться за счет обучения и самообучения.
Целью работы является разработка автономной системы бинаурального слуха
и реализация ее в виде отдельного устройства для применения в робототехнических
системах и других областях искусственного интеллекта.
Более конкретно рассмотрим робототехническую систему (РТС), оснащенную
сенсорами различной физической природы и смонтированную на подвижной плат-
форме, позволяющей проникать в труднодоступные места [1]. Одной из задач РТС яв-
ляется проведение разведки в местах природных и техногенных катастроф с целью
обнаружения живых людей, подающих какие-либо признаки жизни. В частности, для
этой цели используются микрофоны звукового диапазона (300 – 5000 Гц). Работая с
сигналами звукового диапазона, можно решить следующие задачи: определить число
источников, определить направления на источники (локация источников), определить
природу источника (живой или неживой природы). Имеется множество моделей расп-
ространения звука и множество практических реализаций систем локации звука.
В частности, известная трехмерная модель распространения звуковой волны в
однородной воздушной среде, находящейся в состоянии покоя и не имеющей резо-
наторов и ревербераторов, для одного неподвижного источника, создающего звуко-
вое 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)
0dp du dv dwk
dt dx dy dz
. (4)
Поливцев С.А., Цыбульник Е.С.
«Искусственный интеллект» 4’2009 318
6П
При этом явно предполагается, что источник и приемник(и) имеют вид точки.
Известна [2] и модель пеленгации источника с помощью двух сенсоров, которую гео-
метрически можно интерпретировать схемой как на рис. 1.
0,0
X
Y
x1
y1
S
F1 F2
r1
r2
Рисунок 1 – Геометрическая схема модели пеленгации источника
Решение задачи пеленгации сводится к определению расстояний между источ-
ником и сенсорами (микрофонами), что эквивалентно измерению разности фаз сигналов
на выходе сенсоров для каждого из источников. Общая задача разделяется на ряд
подзадач, а именно – разделение сигналов по частотным полосам, определение принад-
лежности сигналов источникам, фазовые измерения. Пример решения – [3], [4].
Геометрическая модель, показанная на рис. 1, имеет несколько упрощенный вид.
Дело в том, что угол между осью ОХ в точке с координатами 0,0 и вектором, нап-
равленным на источник, вычисляется по результатам фазовых измерений сигналов
на выходах сенсоров F1, F2. Но робот, его система бинаурального слуха и источники
находятся в трехмерном мире. Из этого факта следует, что геометрическую схему,
подобную показанной на рис. 1, следует расширить до трех осей, что и делает боль-
шинство исследователей. Но при этом не раскрывается математический аппарат для
определения области нахождения источников.
Авторы данной статьи предлагают свою концепцию определения области нахож-
дения источников в трехмерной системе координат с использованием системы из
четырех микрофонов, разнесенных в пространстве.
1. Пеленгация источника
Обращаясь к схеме на рис. 1, можно видеть, что если расстояние x12 между сенсо-
рами F1 и F2 фиксировано, то для всех частот звукового диапазона f можно вычислить
разность фаз:
Δφ = (φ1 – φ2) = F3{ x12, f,( x1, y1)}. (5)
Разумеется, пару координат (x1, y1) можно представить как функцию разницы
расстояний от источника S до сенсоров F1, F2 или как угол между источником и осью –
Х, Х. Из этой модели сразу видна неоднозначность решений – при одном и том же
значении частоты имеется минимум четыре варианта правильных решений, каждый из
которых лежит в одной из четвертей XOY декартовых координат. Но и эти четыре
варианта не являются единственным множеством решений. Полное множество про-
странственных решений – это два конуса, имеющих одну общую точку в вершинах и
один и тот же угол развертки вдоль своей оси, совпадающей с осью – XОX – рис. 2.
Рисунок 2 – Геометрическая модель локализации источника в пространстве
Х
Y
X
Система бинаурального слуха робота
«Штучний інтелект» 4’2009 319
6П
Из этой модели следует, что одному беззнаковому значению угла разности фаз для
пары сенсоров и фиксированному расстоянию источника сигнала от сенсоров в прост-
ранстве соответствует множество положений источника на каждой из окружностей осно-
ваний конусов, построенных с углом развертки, равным углу разности фаз, и длиной
образующей, равной расстоянию от источника до средней точки, лежащей на средине
линии, соединяющей сенсоры. В работе [5] предлагалось разместить сенсоры робота сле-
дующим образом – рис. 3. Также предлагалось находить угол сдвига фаз для каждой пары
сенсоров, лежащих на одной оси – (F0 + Fx), (F0 + Fy), (F0 + Fz).
Но определение сдвига фаз для каждой из пар сенсоров производится независимо
друг от друга и, следовательно, каждый угол сдвига фаз порождает пару конусов на каж-
дой из осей координат. Совершенно логичным будет утверждение, что для двух осей (на-
пример, OX, OY рис. 3) источник сигналов лежит на общей линии, принадлежащей паре
конусов одновременно.
Рисунок 3 – Размещение сенсоров в пространстве
Эта линия есть не что иное как линия пересечения поверхностей двух конусов.
Продолжая эти в общем тривиальные рассуждения для случая трех осей, можно прийти к
выводу, что источник сигналов находится на поверхности, ограниченной линиями пере-
сечения трех конусов.
Из этого следует, что сколь угодно точное определение сдвига фаз звуковых сигналов
для множества сенсоров в пространстве совершенно не означает однозначного определения
положения источника звуковых сигналов в пространстве. Практически важно выяснить
факторы, влияющие на неоднозначность определения положения источника сигналов, и
получить конкретные требования к массиву сенсоров и системе обработки сигналов с них.
2. Определение общих областей
В геометрии имеется достаточно развитый математический аппарат нахождения
области пересечений различных пространственных фигур, каждая из которых описана
системой уравнений непрерывных линий. Эти решения носят абсолютно точный харак-
тер и могут быть использованы для данного случая. Однако эти решения требуют нетри-
виальных вычислительных ресурсов. В то же время система бинаурального слуха робота
ориентирована на работу в конкретных ограничениях, в частности: расстояние от робота
до источника находится в пределах 0,5 … 5 м, источник звука имеет размеры не менее
50 мм, сенсоры расположены на расстоянии 150 мм друг от друга строго по осям. Из этих
ограничений следует, что находить координаты источника с точностью менее 25 мм по
любому направлению не имеет практического смысла. Соответственно задачу Пересе-
чения поверхностей можно свести к задаче пересечения множества линий. То есть
предлагается после нахождения угла сдвига фаз принимать длину образующей поверх-
ности конуса = 5 м, вычислять окружность основания конуса и разбить его на отрезки
длиной 25 мм. Затем вычисляются координаты отрезков линий, проведенных из верши-
0,0,
F
F
F
F
S
S
Поливцев С.А., Цыбульник Е.С.
«Искусственный интеллект» 4’2009 320
6П
ны конуса к началу каждого из отрезков в основании конуса. Таким образом строится
множество линий для каждого из конусов. Далее решается тривиальная задача опре-
деления координат общих точек для всех возможных пар линий различных конусов.
Разумеется, решение задачи пересечения множества прямых можно разбить на ряд
подзадач, а множества прямых на подмножества, чем существенно уменьшить требо-
вания к вычислительной мощности системы, реализующей решение этой задачи.
Собственно способ нахождения точки пересечения двух отрезков прямых в прост-
ранстве тривиален и нет смысла его приводить в статье. Результатом решения этой задачи
будет множество точек, которые описывают некоторую криволинейную поверхность, в
каждой точке из которой может находиться источник звукового сигнала.
Заключение
Результаты моделирования на ЭВМ предложенного метода локализации источника
звукового сигнала в рамках системы бинаурального слуха робота показали работоспо-
собность метода локализации по всем направлениям в пространстве, включая и случаи,
когда источник сигнала находится точно на одной из осей. Наименьший размер области
положения источника и, следовательно, наиболее точное определение положения источ-
ника достигается в случае, когда значение угла сдвига фаз для всех трех пар сенсоров
одинаково. Геометрически это соответствует размещению источника на одной из вось-
ми линий, проведенных из центра координат системы звуковых сенсоров и равноуда-
ленных от осей координат.
Литература
1. Поливцев С.А. Патент Украины № 75991. Шагающий механизм малогабаритного робота / С.А. Полив-
цев, А.И. Шевченко. – Выдан 15.06.2006.
2. Понтрягин Л.С. Метод координат / Понтрягин Л.С. – Москва, Россия, УРСС, 2004. – 135 с.
3. Yoshifumi Chisaki. Azimuthal and elevation localization of two sound sources using interaural phase and
level differences / Yoshifumi Chisaki1, Sho Kawano, Kyoko Nagata, Kotaro Matsuo, Hidetoshi Nakashima
and Tsuyoshi Usagawa // Acoust. Sci. & Tech. – 29, 2 (2008).
4. Post Filter for Microphone Array. Inventor: Akagi Masato (JP); Li Junfeng (JP); (+2) Applicant: Japan
Advanced inst of Science (JP); Toyota Motor CO LTD (JP). Publication info: EP1931169-2008-06-11.
5. Поливцев С.А. Многопроцессорная система реализации бинаурального слуха с массивом микро-
фонов / С.А. Поливцев // Искусственный интеллект. – 2009. – № 1. – С. 293-299.
6. Поливцев С.А. Метод полупериодного анализа для массива микрофонов / С.А. Поливцев, В.В. Кобыля-
ков // Искусственный интеллект. – 2006. – № 4. – С. 787-795.
С.О. Полівцев, Є.С. Цибульник
Система бінаурального слуху робота
У статті пропонується варіант практичної реалізації бінаурального слуху, під яким розуміється слух,
що властивий людині та багатьом представникам тваринного світу. Багаточисельні якості бінаурального
слуху реалізуються шляхом операцій над образами акустичних сигналів, що отримуються з масиву
мікрофонів. Проронується метод визначення геометричних координат джерела у просторі за відомими
кутами зсуву фаз звукового сигналу. Зсув фаз визначається для кожної просторової координати окремою
парою сенсорів. Наочно наведено, що принцип локалізації джерела за фазовими зсувами дозволяє визначити
положення джерела з точністю до деякої поверхні.
S. Polivtsev, H. Tsybulnik
System Binaural Hearing of the Robot
In article the variant of practical realization of system binaural hearing which is understood as hearing inherent in the
person and many representatives of fauna is offered. Numerous properties binaural hearing are realized by operations
above images of the acoustic signals received from a array of microphones. The method of definition of geometrical
coordinates of a source in space on known is offered to corners of shift of phases of a sound signal. Shift of phases is
determined for each spatial coordinate in separate pair sensor controls. It is shown, that the principle of definition of
localization of a source on phase shift allows to determine position of a source about accuracy up to some surface.
Статья поступила в редакцию 03.07.2009.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8188 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:21:49Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Поливцев, С.А. Цыбульник, Е.С. 2010-05-14T09:26:25Z 2010-05-14T09:26:25Z 2009 Система бинаурального слуха робота / С.А. Поливцев, Е.С. Цыбульник // Штучний інтелект. — 2009. — № 4. — С. 317-320. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8188 004.382 В статье предлагается вариант практической реализации системы бинаурального слуха, под которым
 понимается слух, присущий человеку и многим представителям животного мира. Многочисленные свойства
 бинауарального слуха реализуются путем операций над образами акустических сигналов, получаемых с
 массива микрофонов. Предлагается метод определения геометрических координат источника в пространстве
 по известным углам сдвига фаз звукового сигнала. Сдвиг фаз определяется для каждой пространственной
 координаты отдельной парой сенсоров. Показано, что принцип определения локализации источника по
 фазовому сдвигу позволяет определить положение источника с точностью до некоторой поверхности. У статті пропонується варіант практичної реалізації бінаурального слуху, під яким розуміється слух,
 що властивий людині та багатьом представникам тваринного світу. Багаточисельні якості бінаурального
 слуху реалізуються шляхом операцій над образами акустичних сигналів, що отримуються з масиву
 мікрофонів. Проронується метод визначення геометричних координат джерела у просторі за відомими
 кутами зсуву фаз звукового сигналу. Зсув фаз визначається для кожної просторової координати окремою
 парою сенсорів. Наочно наведено, що принцип локалізації джерела за фазовими зсувами дозволяє визначити
 положення джерела з точністю до деякої поверхні. In article the variant of practical realization of system binaural hearing which is understood as hearing inherent in the
 person and many representatives of fauna is offered. Numerous properties binaural hearing are realized by operations
 above images of the acoustic signals received from a array of microphones. The method of definition of geometrical
 coordinates of a source in space on known is offered to corners of shift of phases of a sound signal. Shift of phases is
 determined for each spatial coordinate in separate pair sensor controls. It is shown, that the principle of definition of
 localization of a source on phase shift allows to determine position of a source about accuracy up to some surface. ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Интеллектуальные робототехнические системы Система бинаурального слуха робота Система бінаурального слуху робота System Binaural Hearing of the Robot Article published earlier |
| spellingShingle | Система бинаурального слуха робота Поливцев, С.А. Цыбульник, Е.С. Интеллектуальные робототехнические системы |
| title | Система бинаурального слуха робота |
| title_alt | Система бінаурального слуху робота System Binaural Hearing of the Robot |
| title_full | Система бинаурального слуха робота |
| title_fullStr | Система бинаурального слуха робота |
| title_full_unstemmed | Система бинаурального слуха робота |
| title_short | Система бинаурального слуха робота |
| title_sort | система бинаурального слуха робота |
| topic | Интеллектуальные робототехнические системы |
| topic_facet | Интеллектуальные робототехнические системы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8188 |
| work_keys_str_mv | AT polivcevsa sistemabinauralʹnogosluharobota AT cybulʹnikes sistemabinauralʹnogosluharobota AT polivcevsa sistemabínauralʹnogosluhurobota AT cybulʹnikes sistemabínauralʹnogosluhurobota AT polivcevsa systembinauralhearingoftherobot AT cybulʹnikes systembinauralhearingoftherobot |