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4麦 360度定位

news 2025/7/26 5:09:08

要在 ESP32 上用 4 个麦克风实现 360° 声源定位，通常思路是通过 时延估计（TDOA） + 几何计算，核心流程：

阵列布置
- 将 4 个麦克风等间距布置成正方形（或圆形）。
- 记阵列中心为原点，麦克风编号 M0–M3 坐标已知（例如正方形边长 D，则 M0=(+D/2,+D/2)，M1=(–D/2,+D/2)，M2=(–D/2,–D/2)，M3=(+D/2,–D/2)）。
多路采样
- 用 ESP‑IDF 的 I2S 驱动，以相同时钟同步采集 4 路 PCM。
- 采样率 fs 建议 ≥ 16 kHz，以满足较高角分辨率。
GCC‑PHAT 时延估计
- 对任意两路信号 x_i[n], x_j[n] 做 PHAT 交叉相关，估算它们的时间差 Δt_{ij}。
- 例如计算 M0 与 M2（对角线）和 M1 与 M3 这两对 TDOA。
几何解算角度
- 已知麦克风间距 d、光速 c≈343 m/s，可通过
  Δt=dcos⁡θc \Delta t = \frac{d \cos\theta}{c}
  解出到声源方向 θ。
- 对两个轴向（X 轴对角线、Y 轴对角线）分别求 θ_x, θ_y，再合成 360° 角度。
滤波与融合
- 对多帧结果做滑动平均或卡尔曼滤波，抑制噪声。

ESP‑IDF 示例代码框架

#include "driver/i2s.h"
#include "esp_log.h"
#include <math.h>#define SAMPLE_RATE      16000
#define I2S_NUM          (0)
#define I2S_BUF_LEN      (1024)
#define MIC_DIST         0.04f    // 麦克风间距 4cm
#define SPEED_OF_SOUND   343.0fstatic const char *TAG = "4mic_doa";// 1. 配置 I2S 同时采集 4 路
static void i2s_init(void) {i2s_config_t cfg = {.mode = I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX,.sample_rate = SAMPLE_RATE,.bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,.channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT, // 用后面 slot_map 映射多路.communication_format = I2S_COMM_FORMAT_I2S_MSB,.dma_buf_count = 4,.dma_buf_len = I2S_BUF_LEN,.use_apll = false};i2s_pin_config_t pin_cfg = {.bck_io_num = GPIO_NUM_26,.ws_io_num  = GPIO_NUM_25,.data_out_num = I2S_PIN_NO_CHANGE,.data_in_num  = GPIO_NUM_22 // SD0};ESP_ERROR_CHECK(i2s_driver_install(I2S_NUM, &cfg, 0, NULL));ESP_ERROR_CHECK(i2s_set_pin(I2S_NUM, &pin_cfg));// 如果外部硬件把 4 路麦克风的 SD 引脚合并到 SD0…SD3// 可用 i2s_set_pin 和 i2s_set_channel_map 指定
}// 2. GCC‑PHAT 交叉相关（简化版，FFT 库可替代）
static float gcc_phat(const float *x, const float *y, int N) {float max_corr = 0;int best_lag = 0;for (int lag = -N/2; lag < N/2; lag++) {float sum = 0, en = 0, dn = 0;for (int n = 0; n < N; n++) {int m = n + lag;if (m<0||m>=N) continue;sum += x[n] * y[m];en   += x[n]*x[n];dn   += y[m]*y[m];}float corr = sum / sqrtf(en*dn + 1e-12f);if (corr > max_corr) {max_corr = corr;best_lag = lag;}}return (float)best_lag / SAMPLE_RATE; // 返回 Δt
}// 3. 主循环：采集 + DOA 估计
void app_main(void) {i2s_init();int16_t buf[I2S_BUF_LEN * 4];float mic0[I2S_BUF_LEN], mic1[I2S_BUF_LEN];float mic2[I2S_BUF_LEN], mic3[I2S_BUF_LEN];while (1) {// 从 I2S 读 N*4 通道×16bitsize_t bytes_read = 0;ESP_ERROR_CHECK(i2s_read(I2S_NUM, buf, sizeof(buf), &bytes_read, portMAX_DELAY));int sample_count = bytes_read/ (sizeof(int16_t)*4);// 拆通道for (int i = 0; i < sample_count; i++) {mic0[i] = buf[4*i + 0];mic1[i] = buf[4*i + 1];mic2[i] = buf[4*i + 2];mic3[i] = buf[4*i + 3];}// 选对角阵对估计 X 和 Y 分量float dt_x = gcc_phat(mic0, mic2, sample_count);  // M0-M2float dt_y = gcc_phat(mic1, mic3, sample_count);  // M1-M3// 通过时延计算角度 (rad)float theta_x = acosf(fminf(fmaxf(dt_x * SPEED_OF_SOUND / MIC_DIST, -1), 1));float theta_y = acosf(fminf(fmaxf(dt_y * SPEED_OF_SOUND / MIC_DIST, -1), 1));// 合成 360°：这里简单平均示例，可用更复杂的四象限处理float angle = fmodf((theta_x + theta_y) * 180.0f / M_PI * 0.5f, 360.0f);ESP_LOGI(TAG, "Estimated DOA: %.1f° (dt_x=%.6f, dt_y=%.6f)", angle, dt_x, dt_y);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));}
}

说明：