Microphone localisation using sound waves and multilateration

Abstract

Diese Arbeit wurde im Rahmen des am AIT - Austrian Institute of Technology durchgeführten Forschungsprojekts SilentAirHP durchgeführt, das die Reduktion von Schallemissionen von Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Ziel hat. In diesem Projekt wird ein akustischer Dom mit 64 Mikrofonen verwendet, um frequenz-, zeit- und raumaufgelöste akustische Daten zu erfassen. Exakte Koordinaten aller 64 Mikrofone werden zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Messungen, als Grundlage für andere Algorithmen (z.B. Schallleistungspegelanalyse) und zu Visualisierungszwecken (Plots und Augmented-Reality-Anwendungen) benötigt, sind aber von Hand nur schwer und ungenau zu erhalten. Um die Position dieser Mikrofone, d.h. ihre Raumkoordinaten, automatisch und effizient zu bestimmen, wird eine akustische Lösung unter Verwendung von Multilateration und Time Difference of Arrival entwickelt. Multilaterationsberechnungen verwenden Entfernungen zwischen mehreren Objekten, um relative Koordinaten zwischen diesen Objekten zu erhalten, ähnlich wie bei (satellitengestützten) Navigationssystemen wie GPS. Die Problemlösung soll modular und unabhängig von der Hard- und Softwareumgebung, dem Messverfahren und der Anwendung nutzbar gemacht werden. Das Berechnungsverfahren beginnt mit der Wiedergabe von vorgegebenen Samples auf Lautsprechern mit bekannten Koordinaten und der Aufzeichnung der Mikrofondaten. Durch die Korrelation der gesendeten mit den aufgezeichneten Daten ist es möglich, Zeitverschiebungen zu extrahieren, die durch unterschiedliche Abstände von jedem Mikrofon zu jedem Lautsprecher verursacht werden. Diese Zeitverschiebungen, die genau bekannten Lautsprecherkoordinaten und die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit werden als Input für den Multilaterationsalgorithmus verwendet, der die Koordinaten der Mikrofone zurückgibt. Zu den durchgeführten Aufgaben gehörten daher: Literaturrecherche, Entscheidung über die zu verwendende Hard- und Software, Entwurf des optimalen Lautsprecherausgangssamples, Entwicklung einer stabilen Anwendung, die auch von Personen ohne Programmiererfahrung verwendet werden kann, Verwendung robuster Algorithmen zur Aufzeichnung und Vorverarbeitung von Audiodaten, Implementierung von Datenkorrelationsmethoden und des Multilaterationsalgorithmus. Zusätzlich musste das Verfahren gründlich getestet und in den bestehenden Arbeitsablauf implementiert werden, einschließlich Datenerfassung, Analyse und Visualisierung. Für Messungen mit Sichtverbindung der Lautsprecher zum Mikrofon funktioniert das System innerhalb der geforderten Genauigkeiten, aber die Leistung lässt in Umgebungen mit zu vielen Mehrwegeffekten (Reflexion und Beugung) nach, was zu nicht wiederherstellbaren Informationsverlusten führt. SilentAirHP wird im Rahmen des Energieforschungsprogramms des Klima- und Energiefonds (5148527) unterstützt, das vom österreichischen Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie initiiert wurde.

This thesis has been done in the framework of the SilentAirHP research project conducted at AIT - Austrian Institute of Technology, which aims to reduce the sound emission of air-to-water heat pumps. In this framework, an acoustic dome with 64 microphones is used to capture frequency-, time-, and space resolved acoustic data. Exact coordinates of all 64 microphones are needed to ensure reproducibility of measurements, as foundation for other algorithms (e.g. sound power level analysis) and for visualization purposes (plots and augmented reality applications), but are difficult and imprecise to produce by hand. In order to automatically and efficiently determine the position of these microphones, i.e. their spatial coordinates, an acoustic solution using multilateration and Time Difference of Arrival is being developed. Multilateration calculations use distances between multiple objects to obtain relative coordinates between those objects, similar to (satellite-based) navigation systems, such as GPS. The problem solution should be made modular and usable independent of the hard- and software environment, measurement procedure, and application. The calculation procedure starts by playing predetermined audio samples on speakers with known coordinates and recording the microphone data. By correlating the sent with the recorded data, it is possible to extract time offsets, which are caused by different distances from each microphone to each speaker. These time offsets (or 'delays'), the precisely known speakers' coordinates, and the temperature-dependent speed of sound are used as input for the multilateration algorithm, which returns the microphones' coordinates. Tasks therefore included: researching literature, deciding on hardware and software to use, designing the optimal speaker output sample, developing a stable application to be used by people without programming experience, using robust algorithms to record and pre-process audio data, implementing data correlation methods and the multilateration algorithm. Additionally, the procedure had to be tested thoroughly and implemented in the existing workflow, including data acquisition, analysis and visualization. For measurements in line of sight the system works within the accuracy required for the application, but performance degrades in settings with too many multipath effects (reflection and diffraction), which causes unrecoverable loss of information. SilentAirHP is supported in the framework of the Energy research program of the Climate and Energy Fund (5148527) initiated by the Austrian Ministry for Transport, Innovation and Technology.