Richtungshören

Ein Richtungshörsystem für mobile Roboter in echoarmer Umgebung

Seminar: Robotik

bei Prof. Dr. von Stryk / Betreuer: Sebastian Klug

von Josef Baumgartner10.Januar 2005

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Richtungshören

Wozu Richtungshören?

Für Überwachungssysteme geeignetLokalisieren von Objekten in nicht sichtbaren BereichenZukünftig: Service-Roboter im Haushalt

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Richtungshören

Vorgehensweise

Funktionsweise des Hören beim MenschenAnalysierenÜbertragen auf technische EbeneSimulation mit Roboter

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Hörsystem beim Mensch

Verarbeitung

Schalltransport durch Außen/MittelohrTransf. in elektr. Impulse im InnenohrNeuronale Verarbeitung

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Hörsystem beim Mensch

Vorraussetzungen

Wichtig: Vorhandensein von 2 Ohren!Schallgeschw. ca. 340 m/s auf der Erdoberfläche in der LuftBsp. Wasser 1450 m/s -> kein Richtungshören möglichMessen des ITD (Zeitdifferenz)Messen des ILD (Pegeldifferenz)

räumliches Hören

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Hörsystem beim Mensch

ILD - Pegeldifferenz

Wichtig: Form der Ohren und des Kopfes.Verzerrung der Schallsignals durch OhrmuschelKopf = Hindernis für hohe Frequenzen (ab ca. 2-3 kHz)Auswertung des ILD sehr komplex

Technische Nachbildung schwer zu realisieren

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Hörsystem beim Mensch

ILD – PegeldifferenzBeispiel: Schattenbildung bei hohen Frequenzen

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Hörsystem beim Mensch

ITD – Zeitdifferenz

Messung der Zeitdifferenz - linkes / rechtes OhrBereich von MikrosekundenBei 20 cm Ohrabstand: ca. 600 µsecWesentlich einfacher technisch umsetzbar als ILD

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Hörsystem beim Mensch

ITD – Zeitdifferenz

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Technische Umsetzung

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Eine mögliche Realisierung

Technische Umsetzung

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Technische Umsetzung

Technische Daten der Versuchsanordnung

„ActivMedia PeopleBOT“Betriebssystem: Linux Red HatK6-2-500 MHz CPU, 128 MB RAM30 cm Mikrophon-AbstandGewöhnliche Stereo-SoundkarteAbtastrate: 44,1 kHzEnspricht Genauigkeit von ca. 22 µsec

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Technische Umsetzung

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Technische Umsetzung

Kreuz-Korrelation

Algorithmus zur Erfassung des ITDVergleichen von beiden Kanälen (zeitl. Ebene)Verschieben (shifting) bis bestmögliche ÜbereinstimmungKreuz-Korr. berechnet diese Verschiebung

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Kreuz-Korrelation

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Kreuz-Korrelation

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Kreuz-Korrelation

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Kreuz-Korrelation

g, h: Liste von Amplituden-Werten beider KanäleWertebereich von g, h: zwischen –1 und +1Gesucht: Wert j für den corr(g,h) den größten pos. Wert erreichtWert j entspricht Verschiebung des g-Kanals (siehe Index von g)

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Kreuz-Korrelation

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Kreuz-Korrelation

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Kreuz-Korrelation

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Technische Umsetzung

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Technische Umsetzung

Azimuth Winkel

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Technische Umsetzung

Azimuth Winkel

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Technische Umsetzung

Berechnung des Azimuth Winkels

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Technische Umsetzung

Problem: 2 mögliche WinkelAbhilfe: leichte Drehung und 2. MessungSchließlich: Kombinieren der Messwerte

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Technische Umsetzung

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Technische Umsetzung

Messergebnisse

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Winkel Zeitdifferenz Kreuz-Korrelation Kreuz-Korrelation Positions-Abw.(theoretisch) nach Drehung

[in µsec] [j-Verschiebung] [j-Verschiebung] (Durchschnitt)-90° 840 37 39 4°-50° 599 26,4 27 2°-30° 386 17 17 0°

0° 0 0 0 2°10° -136 -6 -5 2°20° -268 -11,8 -11 1°45° -554 -24,4 -26 2°70° -735 -32,4 -33 3°

Richtungshören

Fazit

System mit 2 Mikrophonen, das mit Hilfe von Schall-Laufzeitunterschieden die Schallquelle im Bereich von 180° lokalisiertVerwendete „Kreuz-Korrelation“ sehr zuverlässigAbweichungen von durchschnittlich nur 1,5°

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Literaturverzeichnis

Quellen:

Jürgen Adamy, Kyriakos Voutsas, Volker Willert. Ein binaurales Richtungshörsystem für mobile Roboter in echoarmer Umgebung, 2003

John C. Murray, Harry Erwin, Stefan Wermter. Robotic Sound-Source Localization and Tracking using Interaural Time Difference and Cross-Correlation, 2004

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Zum Schluss...

Fragen?

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