Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA trong điều kiện vận tốc âm thanh biến đổi

Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA. Trong đó, vận tốc âm thanh là tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác định vị, nhất là với các ứng dụng ngoài trời.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN TỐC ÂM THANH BIẾN ĐỔI Trần Cơng Thìn1*, Bùi Ngọc Mỹ1, Nguyễn Huy Hồng2 , Phạm Văn Hịa1 Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA Trong đó, vận tốc âm tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ xác định vị, với ứng dụng trời Trên sở phân tích lý thuyết tiến hành mơ Monte-Carlo Matlab, báo đánh giá ảnh hưởng vận tốc âm đến sai số định vị, từ đưa giải pháp định vị nguồn âm mà vận tốc âm coi biến số chưa biết, cho phép cải thiện độ xác định vị theo nguyên lý TDOA Từ khóa: Định vị nguồn âm; TDOA; Vận tốc âm thanh; Độ xác định vị MỞ ĐẦU Trong hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA (Time Differences of Arrival), vận tốc âm yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến phép biến đổi chênh lệch thời gian chênh lệch khoảng cách cảm biến âm Nhiều nghiên cứu trước coi vận tốc âm số nhằm đơn giản hóa việc tính tốn áp dụng môi trường hẹp (in-door) [4] Tuy nhiên, thực tế, vận tốc âm phụ thuộc nhiều vào điều kiện mơi trường độ ẩm khơng khí, áp suất khí đặc biệt nhiệt độ môi trường gió, điều thấy rõ nghiên cứu phạm vi rộng trời (out-door) [2] Do đó, việc coi vận tốc âm số tính tốn định vị nguồn âm gây sai số định vị đáng kể Bài báo trình bày số kết đánh giá ảnh hưởng vận tốc âm tới độ xác định vị theo nguyên lý TDOA, đồng thời đề xuất giải pháp định vị, đó, coi vận tốc âm biến số, cho phép nâng cao độ xác định vị ĐỊNH NGUỒN ÂM THEO NGUYÊN LÝ TDOA 2.1 Phương pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA a Nguồn âm cảm biến (b) Tín hiệu cảm biến Hình Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA Trong toán định vị nguồn âm trời trinh sát phát FlyCam, định vị điểm nổ, phát hỏa lực bắn tỉa,… phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA có nhiều ưu điểm như: Cho phép định vị nguồn âm với số lượng cảm biến, khơng địi hỏi độ phức tạp đồng tín hiệu thu, khơng u cầu lực tính tốn q cao [1] 118 T C Thìn, …, P V Hịa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm biến đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hệ thống định vị nguồn âm theo ngun lý TDOA điển hình có dạng hình 1, nguồn âm xs N cảm biến âm bố trí khơng gian [5] Trong đó, xs = [xs, ys, zs]T tọa độ không gian nguồn âm, ms = [xi, yi, zi]T tọa độ không gian cảm biến âm thứ i, với i = N, ri cự ly từ cảm biến thứ i tới nguồn âm xs Khi nguồn âm xs phát tín hiệu âm sk tới vị trí N cảm biến âm thanh, tín hiệu âm xi(k) thu cảm biến âm thứ i có dạng [5]: xi (k )  i s(k   i )  bi (k ) i  1,2, N (1) Trong đó: αi hệ số suy giảm âm mơi trường truyền sóng I thời gian lan truyền âm từ nguồn âm tới cảm biến thứ i bi (k) tác động tạp âm lên tín hiệu, có phân bố Gaussian Chênh lệch thời gian đến tín hiệu âm hai cảm biến i j  ij   i   j tính theo chênh lệch cự ly hai cảm biến tới nguồn âm [5]: ri rj ‖ x s  mi‖ ‖ x s  m j‖ (2)   v v v Trong biểu thức (2), v vận tốc âm khơng khí, mi mj tọa độ hai cảm biến không gian Nếu xác định τij ẩn số chưa biết cịn lại tọa độ nguồn âm xs Biểu thức (2) phương trình biểu diễn hyperboloid khơng gian chiều, đó, tọa độ hai cảm biến hai tiêu điểm hyperboloid Để xác định tọa độ nguồn âm xs = [xs,ys,zs]T khơng gian chiều, cần giao hội phương trình hyperboloid, tương ứng cần cảm biến âm (từ - 4) để tạo thành cặp cảm biến Khi đó, tọa độ xs = [xs,ys,zs]T nguồn âm nghiệm hệ phương trình [1]:  ij  v   12   v 13    v 14    x1  xS   x1  xS   x1  xS    y1  zS    z1  zS    x2  xS    y2  y S    z  z S  2   y1  zS    z1  zS    x3  xS    y3  yS    z3  z S  2 2 2 (3)   y1  zS    z1  zS   ( x4  xS )  ( y4  yS )  ( z4  z S ) 2 Như vậy, để định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA, có hai bước quan trọng cần thực hiện: Xác định giá trị chênh lệch thời gian τij kiện âm đến cặp cảm biến; Giải hệ phương trình (3) để xác định tọa độ nguồn âm [7] Tuy nhiên, thực tế, vận tốc âm v số, phụ thuộc vào điều kiện môi trường truyền sóng âm, cần đánh giá chi tiết 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc âm khơng khí Bản chất âm sóng học truyền qua khơng khí, phân tử khí dao động quanh vị trí cân dọc theo phương truyền sóng, tác động tới phân tử xung quanh lực liên kết phân tử, giúp cho âm lan truyền xung quanh Tốc độ lan truyền chuyển động vận tốc âm tính theo phương trình Newton-Laplace [2]: v  Ks /  (4) Trong đó: K s mơ đun khối khơng khí, quy định áp suất nhiệt độ khơng khí;  khối lượng riêng khơng khí, phụ thuộc vào thành phần chất khí Hình thể mối quan hệ vận tốc âm khơng khí với yếu tố môi trường nhiệt độ, áp suất, độ ẩm [2] Có thể nhận thấy yếu tố ảnh hưởng lớn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 119 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường tới vận tốc âm thanh, đặc biệt nhiệt độ Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu cơng bố, vận tốc âm cịn chịu ảnh hưởng gió, gồm hướng gió vận tốc gió [2] Hình Ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tới vận tốc âm Như vậy, vận tốc âm thành phần quan trọng hệ phương trình (3) lại phụ thuộc vào yếu tố mơi trường truyền sóng âm, đó, ảnh hưởng khơng nhỏ đến độ xác định vị khơng xem xét, tính tốn chi tiết Tác động việc chọn giá trị vận tốc âm cố định hệ thống định vị TDOA mô nội dung báo XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM CẢI TIẾN 3.1 Xây dựng phương pháp giải tốn định vị nguồn âm Xét khơng gian định vị Oxyz, đó, hệ cảm biến gồm sensor đặt đỉnh tứ diện có kích thước cạnh a (m) đặt tâm O hệ trục tọa độ (hình 3b), nguồn âm xs  [ xs , ys , zs ]T điểm cần xác định khơng gian giới hạn kích thước (X, Y, Z) tương ứng theo trục tọa độ (hình 3a) a) Khơng gian định vị b) Bố trí cảm biến Hình Bố trí khơng gian định vị trí cảm biến Khi đó, tọa độ cảm biến tính theo biểu thức: m1  [ a m3  [ ,0,0]T ; a m  [ sin( / 6)  a a sin( / 6), cos( / 6),0]T ; a cos( / 6),0]T m  [0,0, a (5) ]T Tín hiệu thu cảm biến xi (k ) , với i = 4, tính theo biểu thức (1) Khi 120 T C Thìn, …, P V Hịa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm biến đổi.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ đó, việc tính tốn chênh lệch thời gian đến τij tín hiệu cặp cảm biến thực nhiều kỹ thuật khác như: tương quan chéo tín hiệu kinh điển (Classical Cross-Correlation - CCC), biến đổi làm trơn tín hiệu (Smoothed Coherence Transform - SCOT), Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu trước ra, phương pháp hiệu sử dụng biến đổi pha GCC-PHAT (Generalized Cross-Correlation Phase Transform) [3, 4, 6] Kết thu số   [ 21 , 31 , 41 ]T thay vào (3) ta hệ phương trình phi tuyến ẩn số Hình Chia nhỏ khơng gian định vị Việc giải trực tiếp hệ (3) không dễ dàng, nữa, việc tính tốn τij ln tồn sai số, đó, nhiều trường hợp làm cho hệ phương trình vơ nghiệm [4] Bài báo đề xuất phương pháp sai số trung bình bình phương nhỏ (MMSE – Minimum Mean Square Error) để tìm tọa độ nguồn âm Không gian định vị Oxyz nằm giới hạn (X, Y, Z) chia nhỏ thành ô lập phương có độ dài cạnh d, cạnh (X, Y, Z) chia thành điểm (M = X/d, N = Y/d, P = Z/d) hình Khi đó, đỉnh lập phương điểm hmnp =[xm , yn , z p ]T có tọa độ tính theo biểu thức: X   xm  md  ; m   M  Y   yn  nd  ; n   N  p 1 P  z p  pd ;   (6) Nếu nguồn âm đặt điểm hmnp, cự ly từ điểm hmnp tới sensor m i chênh lệch thời gian đến tín hiệu sensor 2, 3, so với sensor là: d mnp  d1   d    d3   d   h mnp  m1 h mnp  m h mnp  m3 h mnp  m ,  mnp d - d1  t21  v  d -d   t31  v  d - d1  t41  v  (7) T Với (M*N*P) số  mnp   21 , 31 , 41  theo (7), thực so sánh theo tiêu chuẩn MMSE với   [ 21 , 31 , 41 ]T tính theo thuật tốn GCC-PHAT trên: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 121 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường  mnp  arg MSE,  mnp MSE  ( mnp   )( mnp   )T (8) Do đó, xác định số  mnp tương ứng với điểm x s  hmnp  ( xm , yn , z p )T khơng gian Oxyz, vị trí nguồn âm ước tính Sai số định vị khoảng cách euclid điểm x s tìm với điểm x s thiết lập giả định ban đầu, tính theo biểu thức:   xs  xs (9) Với phương pháp giải toán định vị trên, ước tính vị trí nguồn âm mà khơng cần giải phương hệ phương trình phi tuyến (3), ln ước tính vị trí nguồn âm kể trường hợp sai số tính tốn trễ thời gian đến τij lớn Thiết lập vận tốc âm Hệ số suy giảm tín hiệu Tạp âm Tạo tín hiệu âm thu cảm biến X + Thiết lập khơng gian định vị Thiết lập vị trí cảm biến Nạp tín hiệu âm Ước tính trễ thời gian đến Ước tính vị trí nguồn âm Tính toán sai số định vị Sai số định vị Thiết lập vị trí nguồn âm Hình Mơ hình mơ đánh giá độ xác định vị Để đánh giá phương pháp giải toán định vị nguồn âm, ảnh hưởng vận tốc âm tới độ xác định vị, chương trình mơ hệ thống định vị nguồn âm xây dựng hình Trước hết vị trí nguồn âm xs, vận tốc âm v, tín hiệu âm sk xác định không gian, sử dụng biểu thức (1) để tái tạo tín hiệu âm giả định thu cảm biến, đó, tạp âm hệ số suy giảm tín hiệu thiết lập Tín hiệu đưa vào để tính tốn vị trí nguồn âm x s theo phương pháp trình bày trên, đồng thời đánh giá sai số định vị  3.2 Mô ảnh hưởng vận tốc âm đến độ xác định vị Hình Ảnh hưởng vận tốc âm đến sai số định vị Xét vùng không gian định vị với (X = 500 m, Y = 500 m, Z = 250 m) chia nhỏ theo d = m, đó, M = 500, N = 500, P = 250 Các cảm biến đặt cách a = m, 122 T C Thìn, …, P V Hòa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm biến đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tín hiệu đưa vào mơ định vị tiếng nổ đầu nòng súng AK47 thu âm cảm biến âm INMP401 khoảng cách 60 m, tần số lấy mẫu 8kHz Tạp âm phân bố Gaussian bi(k) có biên độ trung bình 15% biên độ trung bình tín hiệu Để đánh giá ảnh hưởng vận tốc âm v đến độ xác định vị, tiến hành mơ cho v = 331÷361 m/s, với bước nhảy m/s Sai số trung bình  theo vận tốc âm v tương ứng với 1000 vị trí nguồn âm ngẫu nhiên mơ tả hình Sai số định vị đạt nhỏ điểm có vận tốc âm giả định vận tốc thực tế để tạo tham số  mnp biểu thức (7), hình điểm ν = 347 m/s, sai số ε = 8.956 m Tại v = 331 m/s, sai số định vị ε = 36.15 m, v = 361 m/s ε = 28.24 m Như vậy, nhận thấy, việc lựa chọn cố định giá trị vận tốc âm hệ thống định vị theo nguyên lý TDOA ảnh hưởng lớn đến độ xác định vị Do đó, để nâng cao độ xác định vị, vận tốc âm cần phải xem xét, tính tốn cụ thể tùy theo mơi trường truyền sóng 3.3 Đề xuất phương pháp giải toán định vị nguồn âm coi vận tốc âm biến số Trong hệ thống định vị âm theo nguyên lý TDOA, đo đạc yếu tố mơi trường (nhiệt độ khơng khí, độ ẩm, áp suất, vận tốc gió, hướng gió, ) để xác định vận tốc âm công việc khó khăn, làm cho hệ thống trở nên phức tạp, đặc biệt việc xác định tham số gió (vì gió ảnh hưởng đến vận tốc âm suốt chiều dài truyền âm) [3] Do đó, việc xem xét vận tốc âm biến số thứ chưa biết hệ phương trình TDOA (3) cần thiết Giải pháp mà báo đề xuất bổ sung thêm cảm biến âm thứ vị trí m5  [0,0, a / 2]T Do cảm biến âm đặt gần cụm cảm biến, coi tác động tham số mơi trường tới việc truyền sóng âm (vận tốc âm thanh) đến cảm biến Khi đó, hệ phương trình (3) gồm phương trình với ẩn số ( xs , ys , zs , v) sau: v   12   v 13    v 14    v   15  x1  xS   x1  xS    y1  zS    z1  zS    x2  xS    y2  y S    z  z S  2   y1  zS    z1  zS    x3  xS    y3  yS    z3  z S  2 2 2  x1  xS    y1  zS    z1  zS   ( x4  xS )2  ( y4  yS )2  ( z4  zS )2  x1  xS  2 (10)   y1  zS    z1  zS   ( x5  xS )2  ( y5  yS )  ( z5  zS )2 2 Áp dụng phương pháp giải chia nhỏ không gian định vị cho hệ phương trình (10), nhiên, vận tốc v xét giới hạn từ 331÷361 m/s (đủ để bao dải vân tốc âm thực tế khơng khí), với độ chia v = m/s, đó, số giá trị vận tốc cần xét V = (361-331)/ v = 40 Với nguồn âm đặt điểm hmnp, giá trị vận tốc vi (i = 1÷40), chênh lệch thời gian đến tín hiệu sensor 2, 3, 4, so với sensor là:  mnpv d - d1   21  v , m   M     d3 - d1 , n   N  31 v  d    - d1 , p   P  41 v  d5 - d1   51  ,v  1V v  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 (11) 123 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Khi đó, có (M*N*P*V) số  mnpv   21 , 31 , 41 , 51  T theo (7), so sánh theo tiêu T chuẩn MMSE với   [ 21 , 31 , 41 , 51 ] tìm theo thuật tốn GCC-PHAT để xác  định điểm x  hmnp  ( xm , yn , z p )T không gian Oxyz gần với nguồn âm xs  [ xs , ys , zs ]T , đồng thời xác định vận tốc âm vˆ Hình Sai số vận tốc âm Giải pháp đề xuất tiến hành mô Monte-Carlo Matlab theo sơ đồ mô hình tham số giới hạn độ chia thực mục 3.2 Kết mô sai số vận tốc âm vˆ xác định vận tốc âm thực tế v giả định thể hình 7, sai số trung bình nằm khoảng 0,7÷2,5 m/s Hình Sai số định vị nguồn âm vận tốc âm biến số Hình kết mô sai số định vị nguồn âm vận tốc âm coi biến số, sai số nằm khoảng 11÷15 m Như vậy, độ xác định vị cải thiện so với trường hợp coi vận tốc âm số hình Tuy nhiên, với cách giải tốn định vị phương pháp chia nhỏ khơng gian định vị có số nhược điểm như: cần biết trước giới hạn không gian mà nguồn âm xuất hiện, số lượng phép tính lớn (nếu chọn độ chia d nhỏ) địi hỏi lực tính tốn hệ thống tăng lên KẾT LUẬN Trên sở phân tích lý thuyết tiến hành mơ Matlab, cho thấy, toán định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA, vận tốc âm tham số quan trọng, ảnh hưởng đáng kể đến độ xác định vị Giải pháp chia nhỏ không gian định vị, giải hệ phương trình định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý MMSE, kết hợp với việc coi vận tốc âm biến số mà báo đề xuất cho phép cải thiện đáng kể độ xác định vị 124 T C Thìn, …, P V Hịa, “Xây dựng giải pháp định vị … vận tốc âm biến đổi.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Tuy nhiên, việc chia nhỏ không gian khiến số lượng phép tính lớn, đó, việc xây dựng thuật tốn cải thiện tốc độ tính tốn định vị hướng nghiên cứu cần thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hòa, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Quang Huy, Trần Cơng Thìn, “Xây dựng hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa theo ngun lý TDOA sóng âm”, Tạp chí Nghiên cứu KHCN quân sự, số 10 (2015), tr 88-95 [2] Keith Attenborough, Kai Ming Li, Kirill Horoshenkov,”Predicting Outdoor Sound”, Taylor & Francis Group (2006), pp 25-60 [3] Antonio Canclini, “A robust and low-complexity source localization algorithm for asynchronous distributed microphone networks”, IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language Processing (TASLP), Vol 23, No.10 (2015), pp 1563–1575 [4] Maximo Cobos, “A Survey of Sound Source Localization Methods in Wireless Acoustic Sensor Networks”, Wireless Communications and Mobile Computing, 2017, pp 1–24 [5] Yiteng Huang, Jacob Benesty, and Jingdong Chen, “Time Delay Estimation and Source Localization”, Springer Handbook of Speech Processing, Springer Berlin Heidelberg, 2008, pp 1043–1063 [6] C Knapp and G Carter, “The generalized correlation method for estimation of time delay”, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol 24, No.4 (1976), pp 320–327 [7] D Pavlidi, A Griffin, M Puigt, and A Mouchtaris, "Real-time multiple sound source localization and counting using a circular microphone array", IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, vol 21, no 10, pp 21932206,2013 ABSTRACT DEVELOPING A TDOA BASED SOUND SOURCE LOCALIZATION METHOD UNDER VARIABLE SPEED OF SOUND In the paper, the research results for a new TDOA based sound source localization method are proposed In this work, the speed of sound (SOS) is the key factor that affects the localizing accuracy, especially in the outdoor environment Based on the principle analyst, the localization errors are evaluated by a MonteCarlo based method From that, the robust localization scheme under SOS variations is constructed that can enhance the result accuracy Keywords: Sound Source Localization; TDOA; Speed of Sound; Localization Accuracy Nhận ngày 03 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Điện tử/Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Học viện Kỹ thuật quân * Email: thin.vdt@outlook.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 125 ... chọn giá trị vận tốc âm cố định hệ thống định vị TDOA mô nội dung báo XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM CẢI TIẾN 3.1 Xây dựng phương pháp giải tốn định vị nguồn âm Xét khơng gian định vị Oxyz,... vận tốc âm vˆ xác định vận tốc âm thực tế v giả định thể hình 7, sai số trung bình nằm khoảng 0,7÷2,5 m/s Hình Sai số định vị nguồn âm vận tốc âm biến số Hình kết mô sai số định vị nguồn âm vận. .. xuất phương pháp giải toán định vị nguồn âm coi vận tốc âm biến số Trong hệ thống định vị âm theo nguyên lý TDOA, đo đạc yếu tố môi trường (nhiệt độ không khí, độ ẩm, áp suất, vận tốc gió, hướng