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JP5889752B2 - Artificial movable ear device and method for specifying sound source direction - Google Patents
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JP5889752B2 - Artificial movable ear device and method for specifying sound source direction - Google Patents

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Description

本発明は、人の聴覚機能を支援する聴覚アシスト装置に関し、より具体的には、当該聴覚アシスト装置に用いられ音源方向を特定することのできる、人が装着可能な人工可動耳装置、および当該人工可動耳装置に用いられる音源方向を特定する方法に関する。   The present invention relates to an auditory assist device that supports a human auditory function. More specifically, the present invention relates to an artificial movable ear device that can be used by the auditory assist device and that can specify a sound source direction and that can be worn by a person. The present invention relates to a method for specifying a sound source direction used in an artificial movable ear device.

従来、聴覚アシスト装置として用いられている補聴器は、入力される音を単に加工・増幅して人に伝える機能のみを有している。しかしながら、このような従来の補聴器では、例えば装着者に音源の方向を認識させたり、装着者が音源の存在を認識しているかどうかを監視者に伝えるなど、より高い機能を実現するための音源方向に関する情報をユーザに提供することはできない。   Conventionally, a hearing aid used as a hearing assist device has only a function of processing and amplifying input sound and transmitting it to a person. However, in such a conventional hearing aid, for example, a sound source for realizing a higher function such as causing the wearer to recognize the direction of the sound source or notifying the monitor whether the wearer recognizes the presence of the sound source. Information about the direction cannot be provided to the user.

一方、人が装着して使用することを意図したものではないが、音源方向を特定するための装置として、例えば特許文献1には、短時間だけ音を発する音源に対しても当該音源の3次元方向を推定することのできる安価な装置を構成することを目的として、3つのマイクロホンa、b、cを備え、基準となるマイクロホンaに対し、マイクロホンbを水平方向へ離れた位置に、マイクロホンcを垂直方向に離れた位置に、それぞれ配置し、マイクロホンaが取得した音データを記憶装置に記憶しつつ、予め定めた短い周期でマイクロホンbとマイクロホンcを切り替え、マイクロホンb、cが取得した音データを記憶装置に記憶し、記憶装置に記憶されたマイクロホンaとマイクロホンbの音データから音源の水平面内での方向(方位角)を算出し、記憶装置に記憶されたマイクロホンaとマイクロホンcの音データから音源の垂直面内での方向(仰角)を算出する、「音声方向推定装置及びその方法」が開示されている。   On the other hand, although it is not intended to be worn and used by a person, as a device for specifying the direction of a sound source, for example, Patent Document 1 discloses that a sound source that emits sound only for a short time is 3 of the sound source. For the purpose of constructing an inexpensive device capable of estimating the dimensional direction, the microphone b is provided with three microphones a, b, c, and the microphone b is placed at a position away from the reference microphone a in the horizontal direction. The microphones b and c are acquired by switching between the microphone b and the microphone c at a predetermined short period while arranging the sound data acquired by the microphone a in the storage device, respectively, in a position separated from each other in the vertical direction. Sound data is stored in the storage device, and the direction (azimuth angle) of the sound source in the horizontal plane is calculated from the sound data of the microphones a and b stored in the storage device. And calculates the direction (elevation angle) from the sound data stored microphone a microphone c in the storage device in the vertical plane of the sound source, "speech direction estimating apparatus and method" is disclosed.

また、ロボット用の聴覚装置として、例えば特許文献2には、両耳の位置にそれぞれマイクロホンと耳介形構造体とを有し、当該耳介構造体は音を集収する円錐形状の外耳構造部と、ヘッド自身が発生する雑音(例えばヘッドに設けられたファンからの雑音)を遮蔽するための音響遮蔽手段とを備え、上記外耳構造部の音響的中心位置に上記マイクロホンが配される、「人工耳を有するロボットヘッド」が知られている。また、同文献には、ロボットヘッド自身を音源方向へ向けるためのアクチュエータを備えることが開示されている。   As a hearing device for a robot, for example, Patent Document 2 has a microphone and an auricular structure at the positions of both ears, and the auricular structure has a conical outer ear structure that collects sound. And an acoustic shielding means for shielding noise generated by the head itself (for example, noise from a fan provided in the head), and the microphone is disposed at an acoustic center position of the outer ear structure portion. A “robot head having an artificial ear” is known. Further, this document discloses that an actuator for directing the robot head itself toward the sound source is provided.

しかしながら、特許文献1に記載の装置では、3つのマイクロホンを使用するため、これを聴覚支援装置として人の頭部に配置するのは困難である。また、マイクロホンの方向は固定されているため、音源がマイクロホンの感度方向から外れている場合には音データのSN比が悪くなり、音源方向の特定に誤差を生じやすい。   However, since the apparatus described in Patent Document 1 uses three microphones, it is difficult to arrange them on a person's head as a hearing assistance apparatus. Further, since the direction of the microphone is fixed, when the sound source deviates from the sensitivity direction of the microphone, the SN ratio of the sound data is deteriorated, and an error is likely to occur in the specification of the sound source direction.

また、特許文献2に記載のロボットヘッドでは、マイクロホンの感度方向はヘッド表面に対して(例えば法線方向に)固定されるため、2つのマイクロホンの双方を音源方向に向けることはできず、特許文献1の技術と同様に目標音源からの音データのSN比を最小化することは困難であることから、音源方向推定の精度向上に関してなお改善の余地がある。   Further, in the robot head described in Patent Document 2, since the sensitivity direction of the microphone is fixed with respect to the head surface (for example, in the normal direction), both of the two microphones cannot be directed in the sound source direction. Since it is difficult to minimize the S / N ratio of sound data from the target sound source as in the technique of Reference 1, there is still room for improvement with regard to improving the accuracy of sound source direction estimation.

特開2005−49153号公報JP 2005-49153 A 特開2008−5472号公報JP 2008-5472 A

上述した従来技術を背景として、聴覚アシスト装置のより高い機能の実現を目指し、当該聴覚アシスト装置の一部として機能し、かつ、人が装着可能で音源方向を精度よく特定することのできる装置の実現が求められている。   Against the background of the above-described conventional technology, aiming to realize higher functions of the hearing assist device, a device that functions as a part of the hearing assist device and that can be worn by a person and can accurately specify the sound source direction. Realization is required.

本発明の一つの態様は、複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンのそれぞれに設けられた、当該マイクロホンの方向を変更するアクチュエータと、記アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記マイクロホンの現在の位置を算出し、前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出し、前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出し、前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出するよう構成されている、人工可動耳装置である
発明の他の態様は、前記制御装置は、前記各マイクロホンからそれぞれ取得された各音から前記最大パワーを持つ周波数を超える周波数を除去するローパスフィルタリングを行い、当該ローパスフィルタリングされた後の各音の波形が極小値となる時刻の差を、前記位相差として算出するよう構成されている、人工可動耳装置である。
本発明の他の態様は、前記ローパスフィルタリングは、前記各マイクロホンからそれぞれ取得された各音を所定の時間間隔で変換して得られるデジタルデータに対し移動平均計算を行うことにより行われる、人工可動耳装置である。
本発明の他の態様は、前記アクチュエータは、前記各マイクロホンを、所定の角度で交差する2軸周りに回転させるモータにより構成される、人工可動耳装置である。
本発明の他の態様は、前記音源の方向は、当該人工可動耳装置を装着する装着者の矢状面内に投影された音源の方向、又は当該矢状面に直交する水平面内に投影された音源の方向である、人工可動耳装置である。
本発明の他の形態は、複数のマイクロホンと、前記複数のマイクロホンのそれぞれに設けられた、当該マイクロホンの方向を変更するアクチュエータと、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記マイクロホンの現在の位置を算出するデバイスと、前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出するデバイスと、前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出するデバイスと、前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御するデバイスと、を備え、前記位相差を算出するデバイスは、前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出する、人工可動耳装置である。
本発明の他の形態は、複数のマイクロホンに設けられた当該マイクロホンの方向をそれぞれ変更する各アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記複数のマイクロホンの現在の位置をそれぞれ算出するステップと、前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出するステップと、前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出するステップと、前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御するステップと、を有し、前記位相差を算出するステップは、前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出する、音源方向の特定方法である。
One aspect of the present invention includes a plurality of microphones, the provided plurality of respective microphones, and an actuator for changing the direction of the microphone, based on the current state of the prior SL actuator, the current of the microphone Calculate the position, calculate the phase difference between the microphones of the sound from the sound source acquired by the microphone, calculate the distance between the microphones at the current position of the microphone, and the calculated A control device that calculates a direction of the sound source based on a phase difference and controls the actuator so that a direction of each microphone is directed to the calculated direction of the sound source, and the control device includes: Assuming that the frequencies with the maximum power contained in each sound acquired from each microphone match each other. Te, is configured to calculate the phase difference in the frequency, it is an artificial movable ear device.
In another aspect of the present invention, the control device performs low-pass filtering that removes a frequency exceeding the frequency having the maximum power from each sound acquired from each microphone, and each sound after the low-pass filtering is performed. The artificial movable ear device is configured to calculate a difference in time at which the waveform becomes a minimum value as the phase difference.
In another aspect of the present invention, the low-pass filtering is performed by performing a moving average calculation on digital data obtained by converting each sound acquired from each microphone at a predetermined time interval. Ear device.
Another aspect of the present invention is the artificial movable ear device in which the actuator is configured by a motor that rotates the microphones around two axes intersecting at a predetermined angle.
In another aspect of the present invention, the direction of the sound source is projected in the direction of the sound source projected in the sagittal plane of the wearer wearing the artificial movable ear device or in a horizontal plane orthogonal to the sagittal plane. This is an artificial movable ear device in the direction of the sound source.
Another aspect of the present invention includes a plurality of microphones, an actuator provided in each of the plurality of microphones, and a control device that changes a direction of the microphone, and the control device is a current device of the actuator. A device for calculating the current position of the microphone, a device for calculating a phase difference between the microphones of a sound source acquired by the microphone, and the calculated microphone. Based on the distance between the microphones at the current position and the calculated phase difference, a device that calculates the direction of the sound source, and the direction of each microphone is directed toward the calculated direction of the sound source. comprising a device for controlling the actuator, a device for calculating the phase difference, the respective Mai On condition that the frequency having the maximum power contained in each sound acquired from Rohon coincide with each other, to calculate the phase difference in the frequency, it is an artificial movable ear device.
According to another aspect of the present invention, a step of calculating a current position of each of the plurality of microphones based on a current state of each actuator that respectively changes the direction of the microphone provided in the plurality of microphones; Calculating the phase difference between the microphones of the sound from the sound source obtained by the step, based on the calculated distance between the microphones at the current position of the microphone and the calculated phase difference. Calculating the direction of the sound source, and controlling the actuator so that the direction of each microphone is directed to the calculated direction of the sound source, and calculating the phase difference, The frequencies having the maximum power included in each sound acquired from each microphone match each other. On condition that, to calculate the phase difference in the frequency, a sound source direction of a particular method.

本発明によれば、人が装着可能な装置により、音源方向を精度よく特定することができる。   According to the present invention, the direction of the sound source can be accurately identified by a device that can be worn by a person.

本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、パラボラ状耳介の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the parabolic pinna of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置における、マイクロホンの方向を表わすための、2つのモータの回転平面における角度の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the angle in the rotation plane of two motors in order to represent the direction of a microphone in the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control apparatus of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、全体動作の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the whole operation | movement of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、マイクロホンの運動系を示す図である。It is a figure which shows the movement system of the microphone of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、MIC位置算出処理の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the MIC position calculation process of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、位相差算出処理の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the phase difference calculation process of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置における、水平面内の音源方向を特定する方法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the method to specify the sound source direction in a horizontal surface in the artificial movable ear | edge apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、音源方向算出処理の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the sound source direction calculation process of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置の、MIC方向制御処理の手順を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the procedure of the MIC direction control process of the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る人工可動耳装置における、音源方向特定動作の観測結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of the sound source direction specific operation | movement in the artificial movable ear apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る人工可動耳の全体構成を示す構成図である。
本人工可動耳装置1は、利用者の頭部に装着される略円形の曲線部を持つヘッドバンド2と、ヘッドバンド2に対し、その中心を挟んで左右両側の対称位置に所定の距離を隔てて設けられた、2つのパラボラ状耳介4L及び4Rと、同じくヘッドバンド2に配された制御装置6及び当該制御装置6に電源を供給するバッテリー8とを有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing the overall configuration of an artificial movable ear according to an embodiment of the present invention.
The artificial movable ear device 1 includes a headband 2 having a substantially circular curved portion that is worn on a user's head, and a predetermined distance to the left and right symmetrical positions across the center of the headband 2. Two parabolic auricles 4 </ b> L and 4 </ b> R provided at a distance from each other, a control device 6 disposed in the headband 2, and a battery 8 for supplying power to the control device 6 are also provided.

図1に示す人工可動耳装置1は、紙面手前に利用者の顔が向く状態で当該利用者に装着される。ここで、図1を人工可動耳装置1の正面図と定義する。また、図1に示すZ軸はヘッドバンド2の対称軸であり、Z軸に直交し紙面法線方向を裏面から表面へ延びる軸をX軸、X軸及びZ軸に直交し紙面を右から左へ延びる軸をY軸とする。これにより、ヘッドバンド2装着時の利用者の矢状面はZX平面となる。   The artificial movable ear device 1 shown in FIG. 1 is worn by a user with the user's face facing the front of the page. Here, FIG. 1 is defined as a front view of the artificial movable ear device 1. The Z axis shown in FIG. 1 is the symmetry axis of the headband 2. The axis orthogonal to the Z axis and extending in the normal direction of the paper surface from the back surface to the front surface is the X axis, orthogonal to the X axis and Z axis, and the paper surface from the right. The axis extending to the left is the Y axis. Thereby, the sagittal surface of the user when the headband 2 is worn becomes the ZX plane.

上述した2つのパラボラ状耳介4L及び4Rは、ヘッドバンド2の略円形の曲線部に配置されており、パラボラ状耳介4L及び4Rの中心線はZ軸に対してそれぞれ相対する方向へ45°だけ傾いている。なお、パラボラ状耳介4L及び4Rは同一の構成を有しており、したがって、これらを左右の区別なく総称するときは「パラボラ状耳介4」と呼称するものとする。   The two parabolic auricles 4L and 4R described above are arranged in a substantially circular curved portion of the headband 2, and the center lines of the parabolic auricles 4L and 4R are 45 in a direction opposite to the Z axis, respectively. Tilt by only °. The parabolic auricles 4L and 4R have the same configuration. Therefore, when these are collectively referred to without distinction between left and right, they are referred to as “parabolic auricles 4”.

図2は、パラボラ状耳介4の構成を示す構成図である。図2A及び図2Bは、それぞれ、パラボラ状耳介4の正面図及び側面図である。
パラボラ状耳介4は、パラボラ状に加工された耳介部20と、耳介部20に設けられたブラケット22を介して耳介部20のパラボラ曲面のほぼ中心線上に配置されたマイクロホン24と、直交する2軸周りに耳介部20を回転させるモータ26及び28と、を有している。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the parabolic auricle 4. 2A and 2B are a front view and a side view of the parabolic auricle 4, respectively.
The parabolic auricle 4 includes an auricular portion 20 processed into a parabolic shape, and a microphone 24 disposed on a substantially center line of a parabolic curved surface of the auricular portion 20 via a bracket 22 provided on the auricular portion 20. And motors 26 and 28 for rotating the auricle portion 20 around two orthogonal axes.

モータ26の本体部分はサポート30を介してヘッドバンド2の対応する位置に固定されている。モータ28の本体部はホルダ32を介してモータ26の回転軸に固定されており、モータ26の回転軸とモータ28の回転軸とは直交するように配置されている。また、モータ28の回転軸は耳介部20の裏面に設けられたブラケット34に固定されている。これにより、モータ26及び28の回転角度を適宜制御することで、パラボラ状耳介4の方向、したがって、マイクロホン24の方向を直交する2軸周りに回転させることができる。ここで、「マイクロホン24の方向」とは、マイクロホン24自身又はパラボラ状の耳介部20による音響反射との関係においてマイクロホン24が有する音響電気変換感度の最も高い方向をいう。   The main body portion of the motor 26 is fixed to a corresponding position on the headband 2 via a support 30. The main body of the motor 28 is fixed to the rotating shaft of the motor 26 via the holder 32, and the rotating shaft of the motor 26 and the rotating shaft of the motor 28 are arranged so as to be orthogonal to each other. The rotation axis of the motor 28 is fixed to a bracket 34 provided on the back surface of the auricle portion 20. Thus, by appropriately controlling the rotation angles of the motors 26 and 28, the direction of the parabolic auricle 4 and thus the direction of the microphone 24 can be rotated around two axes orthogonal to each other. Here, “the direction of the microphone 24” refers to the direction in which the microphone 24 has the highest acoustoelectric conversion sensitivity in relation to the acoustic reflection by the microphone 24 itself or the parabolic auricle portion 20.

図2に示すxyz座標系は、マイクロホン24の位置を原点とし、図1のX軸に平行な軸をx軸、x軸と直交しヘアバンド2の接線方向に並行な軸をy軸、x軸及びy軸に直交する軸をz軸とする座標系として定義される。ここで、モータ26の回転軸はz軸方向を向くように設定されており、従って、モータ26によるマイクロホン24の回転平面はxy平面となる。また、モータ28の回転軸はy軸方向を向くように設定されており、従って、モータ26によるマイクロホン24の回転平面はzx平面となる。   The xyz coordinate system shown in FIG. 2 uses the position of the microphone 24 as the origin, the axis parallel to the X axis in FIG. 1 as the x axis, the axis perpendicular to the x axis and parallel to the tangential direction of the hairband 2 as the x axis, It is defined as a coordinate system in which an axis orthogonal to the axis and the y axis is the z axis. Here, the rotation axis of the motor 26 is set to face the z-axis direction, and therefore the rotation plane of the microphone 24 by the motor 26 is the xy plane. Further, the rotation axis of the motor 28 is set to face the y-axis direction, and therefore the rotation plane of the microphone 24 by the motor 26 is the zx plane.

本実施形態では、モータ26及び28は、ポテンショメータを備えたサーボモータであり、当該ポテンショメータの抵抗値から当該モータの現在の回転角度を計測することができる。なお、サーボモータに代えて、モータ26及び28をパルスモータとすることもできる。この場合、当該パルスモータの角度情報は、例えば制御装置6において当該パルスモータに与えた駆動パルスの数を記憶しておくことにより取得することができる。   In the present embodiment, the motors 26 and 28 are servo motors provided with potentiometers, and the current rotation angle of the motors can be measured from the resistance values of the potentiometers. In place of the servo motor, the motors 26 and 28 may be pulse motors. In this case, the angle information of the pulse motor can be obtained by storing the number of drive pulses applied to the pulse motor in the control device 6, for example.

ここで、マイクロホン24の方向を表わすための、モータ26、28の回転平面における角度θ、θを図3のように定義する。すなわち、x軸を基準軸とし、x軸からy軸方向に向かって測った角度をθ、x軸からz軸方向に向かって測った角度をθと定義する。また、モータ26、28の回転角度の基準方向は、マイクロホン24がx軸方向を向く状態に対応するよう設定されているものとし、モータ26の回転角度がθのときは、マイクロホン24のxy平面内での角度がθとなり、モータ28の回転角度がθのときは、マイクロホン24のzx平面内での角度がθとなるものとする。 Here, angles θ h and θ v in the rotation planes of the motors 26 and 28 for representing the direction of the microphone 24 are defined as shown in FIG. That is, the angle measured from the x-axis in the y-axis direction is defined as θ h , and the angle measured from the x-axis in the z-axis direction is defined as θ v with the x-axis as the reference axis. The reference direction of the rotation angle of the motor 26 and 28, when the microphone 24 is assumed to be set to correspond to a state facing the x-axis direction, the rotation angle of the motor 26 is theta h, xy microphone 24 angle theta h next in the plane, when the rotation angle theta v of the motor 28, it is assumed that the angle at the zx plane of the microphone 24 becomes a theta v.

なお、以下の説明では、左右のパラボラ状耳介4L及び4Rを区別しつつモータ26等の構造要素を参照するときは、当該構造要素を表わす符号にそれぞれL又はRの符号を付して、「モータ26L」「モータ26R」等として示し、モータ26及び28の回転角度θ及びθについても、左右のモータ26L、26R等の回転角度として区別して示すときは、L又はRのサフィックスを付して「θLh」「θRh」等として記載するものとする。 In the following description, when referring to the structural elements such as the motor 26 while distinguishing the left and right parabolic auricles 4L and 4R, the reference numerals representing the structural elements are denoted by L or R, respectively. indicated as such "motor 26L""motor26R", for the rotation angle theta h and theta v of the motor 26 and 28, left and right motors 26L, when referring distinguished as rotation angle of the 26R or the like, the suffix L or R It shall be described as “θ Lh ”, “θ Rh ”, etc.

図4は、制御装置6の構成を示すブロック図である。
制御装置6は、中央処理装置(CPU、Central Processing Unit)40と、ROM41と、RAM42とを有するコンピュータであり、さらに、AD変換器(Analog-to-Digital converter)44と、タイマ46と、入出力インタフェース48と、を備えている。この制御装置6は、例えば、ワンチップマイクロコンピュータやデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor、DSP)を用いて構成することができる。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control device 6.
The control device 6 is a computer having a central processing unit (CPU) 40, a ROM 41, and a RAM 42, an AD converter (Analog-to-Digital converter) 44, a timer 46, and an input. An output interface 48. The control device 6 can be configured using, for example, a one-chip microcomputer or a digital signal processor (DSP).

マイクロホン24L及び24Rから取得された音響信号は、それぞれAD変換器44に入力され、タイマ46が出力するサンプリング信号に基づき所定の時間間隔でサンプリングされデジタル信号(音響データ)に変換されて、RAM42に時系列順に記憶される。なお、RAM42には、直近にサンプリングされた所定数の音響データ、すなわち直近の所定時間内に取得された音響データのみが保持され、新たな音響データが記憶されるときは、最も古いデータが消去される。これにより、RAM42内の音響データシーケンスは、上記サンプリング周期で常に更新される。   The acoustic signals acquired from the microphones 24L and 24R are respectively input to the AD converter 44, sampled at a predetermined time interval based on the sampling signal output from the timer 46, converted into a digital signal (acoustic data), and stored in the RAM 42. Stored in chronological order. It should be noted that the RAM 42 holds only a predetermined number of the most recently sampled sound data, that is, only the sound data acquired within the most recent predetermined time. When new sound data is stored, the oldest data is erased. Is done. As a result, the acoustic data sequence in the RAM 42 is constantly updated at the sampling period.

制御装置6は、マイクロホン24並びにモータ26及び28についての処理や制御を行うための、マイクロホン(MIC)位置算出部402と、位相差算出部404と、音源方向算出部406と、マイクロホン(MIC)方向制御部408とを有している。本実施形態では、制御装置6が備えるCPU40がプログラムを実行することにより、上記各部(符号402〜408)の機能が実現される。なお、これらの算出部(符号402〜406)や制御部(符号408)は、電気回路等のハードウェアを有する一つまたは複数のデバイスとして構成することもできる。   The control device 6 includes a microphone (MIC) position calculation unit 402, a phase difference calculation unit 404, a sound source direction calculation unit 406, and a microphone (MIC) for performing processing and control on the microphone 24 and the motors 26 and 28. A direction control unit 408. In the present embodiment, the functions of the respective units (reference numerals 402 to 408) are realized by the CPU 40 included in the control device 6 executing the program. In addition, these calculation parts (code | symbol 402-406) and a control part (code | symbol 408) can also be comprised as one or several devices which have hardware, such as an electric circuit.

MIC位置算出部402は、入出力インタフェース48を介してモータ26及び28の現在の回転角度を取得し、これらの回転角度に基づき、パラボラ状耳介4が構成するマイクロホン24の運動系についてのキネマティクス計算を行って、左右のマイクロホン24L及び24Rの現在の位置座標を算出する。この算出方法の詳細については後述する。   The MIC position calculation unit 402 acquires the current rotation angles of the motors 26 and 28 via the input / output interface 48, and based on these rotation angles, the kinema about the motion system of the microphone 24 that the parabolic auricle 4 configures. Tick calculation is performed to calculate the current position coordinates of the left and right microphones 24L and 24R. Details of this calculation method will be described later.

位相差算出部404は、マイクロホン24L、24Rにより取得された音響波形の位相差を算出する。位相差の算出方法については後述する。
音源方向算出部406は、位相差算出部404が算出した位相差と、MIC位置算出部402が算出したマイクロホン24L、24Rの現在の位置座標とに基づいて、音源の方向(方位角及び仰角)を算出する。
The phase difference calculation unit 404 calculates the phase difference between the acoustic waveforms acquired by the microphones 24L and 24R. A method for calculating the phase difference will be described later.
The sound source direction calculation unit 406 is based on the phase difference calculated by the phase difference calculation unit 404 and the current position coordinates of the microphones 24L and 24R calculated by the MIC position calculation unit 402, and the direction of the sound source (azimuth angle and elevation angle). Is calculated.

MIC方向制御部408は、入出力インタフェース48を介してモータ26L、28L、及び、26R、28Rを制御することにより、マイクロホン24L及び24Rの方向を、音源方向算出部406が算出した音源の方向へ向ける。   The MIC direction control unit 408 controls the motors 26L, 28L, and 26R, 28R via the input / output interface 48, thereby moving the directions of the microphones 24L and 24R to the direction of the sound source calculated by the sound source direction calculation unit 406. Turn.

上記の構成を備える人工可動耳装置1は、音源方向の算出と、当該算出した方向へマイクロホン24の方向を向ける制御とを繰り返すことにより、音源方向を精度良く特定することができる。   The artificial movable ear device 1 having the above configuration can specify the sound source direction with high accuracy by repeating the calculation of the sound source direction and the control for directing the direction of the microphone 24 in the calculated direction.

次に、本人工可動耳装置1の動作について説明する。
図5は、本人工可動耳装置1の全体動作の手順を示すフロー図である。本処理は、人工可動耳装置1の電源投入により開始する。
Next, the operation of the artificial movable ear device 1 will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the overall operation of the artificial movable ear device 1. This process starts when the artificial movable ear device 1 is turned on.

電源が投入されると、制御装置6は、MIC位置算出処理(S1)を実行して、マイクロホン24L、24Rの現在の位置座標を算出し、次に、位相差算出処理(S2)を実行して、2つのマイクロホン24L、24Rにより検出される音の位相差を算出する。続いて、制御装置6は、音源方向算出処理(S3)を実行して、ステップS1において算出したマイクロホン24L、24Rの現在の位置座標と、ステップS2において算出した音の位相差から、音源の方向を算出する。その後、制御装置6は、MIC方向制御処理(S4)を実行し、モータ26L、28L、及び、26R、28Rを制御して、マイクロホン24L及び24Rの方向を、ステップS3において算出した音源の方向へ向けた後、ステップS1に戻って処理を繰り返す。なお、本処理は、人工可動耳装置1の電源が断になったときに終了する。   When the power is turned on, the control device 6 executes the MIC position calculation process (S1), calculates the current position coordinates of the microphones 24L and 24R, and then executes the phase difference calculation process (S2). Thus, the phase difference between the sounds detected by the two microphones 24L and 24R is calculated. Subsequently, the control device 6 executes a sound source direction calculation process (S3), and determines the direction of the sound source from the current position coordinates of the microphones 24L and 24R calculated in step S1 and the phase difference of the sound calculated in step S2. Is calculated. Thereafter, the control device 6 executes MIC direction control processing (S4), controls the motors 26L, 28L, 26R, and 28R, and changes the directions of the microphones 24L and 24R to the direction of the sound source calculated in step S3. Then, the process returns to step S1 to repeat the process. In addition, this process is complete | finished when the power supply of the artificial movable ear apparatus 1 is cut off.

次に、ステップS1〜S4に示す各処理の内容について順に説明する。
まず、MIC位置算出処理(図5のステップS1)について説明する。なお、MIC位置算出処理の内容はパラボラ状耳介4L及び4Rにおいて同じであるため、これらをパラボラ状耳介4と総称して説明する。実際には、左右のパラボラ状耳介4L及び4Rのそれぞれについて以下のMIC位置算出処理を行うことにより、マイクロホン24L及び24Rの現在の位置座標がそれぞれ算出される。
Next, the contents of each process shown in steps S1 to S4 will be described in order.
First, the MIC position calculation process (step S1 in FIG. 5) will be described. Since the contents of the MIC position calculation process are the same for the parabolic auricles 4L and 4R, these will be collectively referred to as the parabolic auricles 4. Actually, the current position coordinates of the microphones 24L and 24R are calculated by performing the following MIC position calculation processing for the left and right parabolic auricles 4L and 4R, respectively.

図6は、マイクロホン24の運動系を模式的に示した図である。
図6において、マイクロホン24の位置を示すノード500からモータ28の回転軸502に下ろした垂線をアーム504とし、アーム504がモータ28の回転軸502と連結する点を関節506とする。また、モータ28の回転軸502とモータ26の回転軸508との交点を関節510とし、関節506から回転軸502に沿って関節510までの区間をアーム512とする。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the motion system of the microphone 24.
In FIG. 6, a perpendicular drawn from the node 500 indicating the position of the microphone 24 to the rotation shaft 502 of the motor 28 is an arm 504, and a point where the arm 504 is connected to the rotation shaft 502 of the motor 28 is a joint 506. Further, an intersection between the rotation shaft 502 of the motor 28 and the rotation shaft 508 of the motor 26 is a joint 510, and a section from the joint 506 to the joint 510 along the rotation shaft 502 is an arm 512.

また、関節510の位置ベクトルをP1、関節506の位置ベクトルをP2、ノード500の位置ベクトルをP3とし、関節506の初期位置の位置ベクトルをP20、ノード500の初期位置の位置ベクトルをP30とする。こで、「関節506の初期位置」とは、モータ26の回転角度θが0°であるときの関節506の位置をいい、「ノード500の初期位置」とは、モータ26、28の回転角度θ、θが共に0°であるときの、ノード500の位置をいうものとする。また、上記の位置ベクトルは、特にことわりのない限り、図1に示すXYZ座標における原点Oを起点とする位置ベクトルをいうものとする。 Further, the position vector of the joint 510 is P1, the position vector of the joint 506 is P2, the position vector of the node 500 is P3, the position vector of the initial position of the joint 506 is P20, and the position vector of the initial position of the node 500 is P30. . Here, the “initial position of the joint 506” refers to the position of the joint 506 when the rotation angle θ h of the motor 26 is 0 °, and the “initial position of the node 500” refers to the rotation of the motors 26 and 28. The position of the node 500 when the angles θ h and θ v are both 0 ° is assumed. Further, the above-described position vector means a position vector starting from the origin O in the XYZ coordinates shown in FIG. 1 unless otherwise specified.

ここで、回転軸502周りの回転(モータ28の回転)によるノード500の位置変化を表わす回転行列をR)、回転軸508周りの回転(モータ26の回転)による関節506とノード500の位置変化を表わす回転行列をR)とすると、マイクロホン24の現在の位置ベクトルP3は次式で与えられる。
P3=R1(θv)・(P3’−P2)+P2 (1)
ここで、
P2=R2(θh)・(P20−P1)+P1 (2)
P3’=R2(θh)・(P30−P1)+P1 (3)
である。なお、P1等の位置ベクトルは、3次元の列ベクトルであるものとする。
Here, R 1v ) is a rotation matrix representing the position change of the node 500 due to rotation around the rotation axis 502 (rotation of the motor 28), and the joint 506 and node due to rotation around the rotation axis 508 (rotation of the motor 26). If the rotation matrix representing the position change of 500 is R 2h ), the current position vector P3 of the microphone 24 is given by the following equation.
P3 = R1 (θ v ) ・ (P3'−P2) + P2 (1)
here,
P2 = R2 (θ h ) ・ (P20−P1) + P1 (2)
P3 '= R2 (θ h ) ・ (P30−P1) + P1 (3)
It is. Note that the position vector such as P1 is a three-dimensional column vector.

上式では、式(2)及び式(3)によりそれぞれモータ26のみが角度θだけ回転した場合の関節506の位置ベクトルP2及びノード500の位置ベクトルP3´を求め、式(1)により、P3´の位置からさらにモータ28が角度θだけ回転したときの位置として、現在のマイクロホン24のノード500の位置ベクトルP3を求めている。 In the above equation, the position vector P2 of the joint 506 and the position vector P3 ′ of the node 500 when only the motor 26 rotates by the angle θ h are obtained by the equations (2) and (3), respectively, as the position at which the further motor 28 from the position of P3' is rotated by an angle theta v, seeking position vector P3 of the node 500 of the current microphone 24.

図7は、MIC位置算出処理の手順を示すフロー図である。
まず、制御装置6のMIC位置算出部402は、パラボラ状耳介4が備えるモータ26及び28の現在の回転角度θ及びθを取得し(S101)、取得した回転角度θ及びθを用いて回転行列R)、R)を算出した後(S102)、式(1)によりマイクロホン24L及び24Rの現在の位置座標を算出して(S103)、処理を終了する。ここで、回転角度θ及びθは、上述したとおり、モータ26及び28がそれぞれ備えるポテンショメータを用いて取得することができる。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the MIC position calculation process.
First, the MIC position calculation unit 402 of the control device 6 acquires the current rotation angles θ h and θ v of the motors 26 and 28 included in the parabolic auricle 4 (S101), and acquires the acquired rotation angles θ h and θ v. Is used to calculate the rotation matrices R 1v ) and R 2h ) (S102), and then the current position coordinates of the microphones 24L and 24R are calculated using equation (1) (S103), and the process is performed. finish. Here, as described above, the rotation angles θ h and θ v can be obtained using the potentiometers provided in the motors 26 and 28, respectively.

次に、位相差算出処理(図5のステップS2)について説明する。
上述したように、RAM42には、マイクロホン24L、24Rのそれぞれについて、直近の所定時間内に取得された所定数の音響データが時間順に記憶され、音響データシーケンスとして保持されている。また、この音響データシーケンスは、AD変換器44のサンプリング周期に同期して、最も新しい音響データを記憶すると共に最も古い音響データを削除することで常に更新されている。なお、以下では、マイクロホン24Lからの音響信号に基づく音響データを「左の音響データ」、マイクロホン24Rからの音響信号に基づく音響データを「右の音響データ」と称するものとする。
Next, the phase difference calculation process (step S2 in FIG. 5) will be described.
As described above, the RAM 42 stores, for each of the microphones 24L and 24R, a predetermined number of acoustic data acquired within the most recent predetermined time in order of time, and is stored as an acoustic data sequence. The acoustic data sequence is constantly updated by storing the newest acoustic data and deleting the oldest acoustic data in synchronization with the sampling period of the AD converter 44. Hereinafter, the acoustic data based on the acoustic signal from the microphone 24L is referred to as “left acoustic data”, and the acoustic data based on the acoustic signal from the microphone 24R is referred to as “right acoustic data”.

図8は、位相差算出処理の手順を示すフロー図である。
まず、位相差算出部404は、RAM42に記憶された左右の音響データシーケンスのそれぞれについて、最新の連続する所定数(N個)の音響データで構成される音響データのサブセットを用いて離散的フーリエ変換を行う(S201)。例えば左の音響データでは、この離散的フーリエ変換は次式で与えられる。
DL1=W・DL0 (4)
FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the phase difference calculation process.
First, for each of the left and right acoustic data sequences stored in the RAM 42, the phase difference calculation unit 404 performs discrete Fourier transform using a subset of acoustic data composed of the latest consecutive predetermined number (N) of acoustic data. Conversion is performed (S201). For example, in the left acoustic data, this discrete Fourier transform is given by
D L1 = W · D L0 (4)

ここで、DL0は左の音響データdLn (n=0, 1, … , N-1)で構成される入力ベクトル(N次元列ベクトル)、DL1は当該入力データが表す音響信号に含まれる各周波数fk(k=0, 1, … , N-1)で構成される周波数ベクトル(N次元列ベクトル)であり、それぞれ、
DL0=(dL0, dL1, ... , dLn, ... , dLN-1)T (5)
DL1=(f0, f1, ... , fk, ... , fN-1)T (6)
で与えられる。
Here, D L0 is an input vector (N-dimensional column vector) composed of left acoustic data dL n (n = 0, 1,..., N−1), and D L1 is included in the acoustic signal represented by the input data. Frequency vectors (N-dimensional column vectors) composed of frequencies f k (k = 0, 1,..., N−1),
D L0 = (dL 0 , dL 1 , ..., dLn, ..., dL N-1 ) T (5)
D L1 = (f 0 , f 1 , ..., f k , ..., f N-1 ) T (6)
Given in.

また、Wは離散的フーリエ変換のN×Nの係数行列であり、そのk行n列の要素wknは次式で与えられる。

Figure 0005889752
なお、右の音響データの離散的フーリエ変換も、上記と同様の式を用いて行うことができる。また、ステップS201における離散的フーリエ変換は、所定数Nを2のべき乗で表わされる数とすることにより、公知の高速フーリエ変換アルゴリズムを用いて行うことができる。 W is an N × N coefficient matrix of discrete Fourier transform, and an element w kn of k rows and n columns is given by the following equation.
Figure 0005889752
Note that the discrete Fourier transform of the right acoustic data can also be performed using the same formula as described above. The discrete Fourier transform in step S201 can be performed using a known fast Fourier transform algorithm by setting the predetermined number N to a number represented by a power of 2.

次に、位相差算出部404は、当該フーリエ変換の結果に基づき、左右の音響データシーケンスのそれぞれについて最大パワーを持つ周波数(以下、最大パワー周波数)を特定し(S0202)、それらの最大パワー周波数が互いに一致するか否かを判断する(S203)。   Next, based on the result of the Fourier transform, the phase difference calculation unit 404 identifies the frequencies having the maximum power (hereinafter referred to as the maximum power frequency) for each of the left and right acoustic data sequences (S0202), and these maximum power frequencies. Are determined to match each other (S203).

ステップS203において、左右の音響データシーケンスから算出された最大パワー周波数が互いに異なっているときは(S203、No)、ステップS201に処理を戻し、最新の音響データシーケンスのサブセットを用いて、処理を繰り返す。   In step S203, when the maximum power frequencies calculated from the left and right acoustic data sequences are different from each other (S203, No), the process returns to step S201, and the process is repeated using a subset of the latest acoustic data sequence. .

一方、ステップS203において、左右の音響データシーケンスから算出された最大パワー周波数が互いに一致するときは(S203、Yes)、左右の音響データシーケンスについて、最大パワー周波数の周期に等しい期間内に取得された全て(r個とする)の連続する音響データのサブセットを用いて移動平均値を計算し、算出した左右の音響データの移動平均値をそれぞれ時間順にRAM42に記憶する(S204)。これにより、RAM42内には移動平均値のシーケンスが記憶される。   On the other hand, in step S203, when the maximum power frequencies calculated from the left and right acoustic data sequences match each other (S203, Yes), the left and right acoustic data sequences are acquired within a period equal to the period of the maximum power frequency. A moving average value is calculated using a subset of all (r) consecutive acoustic data, and the calculated moving average values of the left and right acoustic data are respectively stored in the RAM 42 in time order (S204). As a result, a sequence of moving average values is stored in the RAM 42.

例えば、左の音響データシーケンスについての移動平均値AL(i)(RAM42内のi番目から(i+r−1)番目までのr個の音響データサブセットで算出される移動平均値)は、次式で与えられる(なお、右の音響データの移動平均値AR(i)も同様の式で与えられる)。

Figure 0005889752
For example, the moving average value AL (i) for the left acoustic data sequence (moving average value calculated by r acoustic data subsets from i-th to (i + r−1) -th in the RAM 42) is expressed by the following equation. (The moving average value AR (i) of the right acoustic data is also given by the same equation).
Figure 0005889752

上記のように音響データシーケンスを移動平均値のシーケンスに変換することは、ローパスフィルタリングを行うことと等価であり、式(8)で算出された移動平均値のシーケンスが表す波形は、マイクロホン24Lが取得した音響信号から最大パワー周波数を超える周波数成分を除去した波形となる。   Converting an acoustic data sequence to a moving average value sequence as described above is equivalent to performing low-pass filtering, and the waveform represented by the moving average value sequence calculated by Equation (8) is the same as that of the microphone 24L. A waveform is obtained by removing frequency components exceeding the maximum power frequency from the acquired acoustic signal.

次に、位相差算出部404は、左右の音響データシーケンスのそれぞれについて、ステップS204において算出された移動平均値の時間微分値を算出し、当該時間微分値をその符号(正負)により2値化して、左右の音響データについての2値化微分値を、それぞれ時間順にRAM42に記憶する(S205)。この時間微分値は、今回算出された移動平均値から前回算出された移動平均値を差し引いた差分として算出することにより、ステップS204の処理と並行して行うことができる。また、2値化微分値は、例えば、上記算出した時間微分値が正の値であれば+1、負の値であれば−1を採るものとすることができる。   Next, the phase difference calculation unit 404 calculates the time differential value of the moving average value calculated in step S204 for each of the left and right acoustic data sequences, and binarizes the time differential value by its sign (positive / negative). Then, the binarized differential values for the left and right acoustic data are respectively stored in the RAM 42 in time order (S205). This time differential value can be calculated in parallel with the process of step S204 by calculating as a difference obtained by subtracting the previously calculated moving average value from the moving average value calculated this time. The binarized differential value may be, for example, +1 if the calculated time differential value is a positive value and -1 if the calculated time differential value is a negative value.

例えば、左の音響データの移動平均値の2値化微分値BL(i)は、次式により定義することができる(なお、右の音響データの移動平均値の2値化微分値BR(i)も、同様に定義することができる)。

Figure 0005889752
For example, the binarized differential value BL (i) of the moving average value of the left acoustic data can be defined by the following equation (note that the binarized differential value BR (i of the moving average value of the right acoustic data) ) Can be defined similarly).
Figure 0005889752

次に、位相差算出部404は、RAM42に記憶された左右の2値化微分値がそれぞれ−1から+1に変化した立ち上り時刻の差を求め(S206)、直近の所定数の立ち上がり時刻差の平均値Tを、マイクロホン24L及び24Rにおける音響の位相差(到達時間差)として算出して(S207)、処理を終了する。 Next, the phase difference calculation unit 404 obtains the difference between the rising times at which the left and right binary differential values stored in the RAM 42 have changed from −1 to +1, respectively (S206), and calculates the difference between the latest predetermined number of rising time differences. The average value Td is calculated as the acoustic phase difference (arrival time difference) in the microphones 24L and 24R (S207), and the process is terminated.

上述したように、ステップS204においてRAM42に記憶された移動平均値のシーケンスは最大パワー周波数以下の周波数成分のみから成る音響波形を表しており、この波形の変化傾向は最大パワー周波数成分(すなわち最大振幅を持つ周波数成分)の変化でほぼ決定される。したがって、移動平均の時間微分の極値位置は最大パワー周波数成分が大きく変化した時刻をほぼ表わしており、左右の音響データにおける時間微分の極値位置の時間的隔たりは、当該音響波形の大きな変化部分がマイクロホン24L及び24Rに到達した時刻の差、すなわち位相差を表わすものとなる。   As described above, the sequence of moving average values stored in the RAM 42 in step S204 represents an acoustic waveform composed of only frequency components equal to or lower than the maximum power frequency, and the change tendency of this waveform is the maximum power frequency component (that is, the maximum amplitude). It is almost determined by the change in the frequency component). Therefore, the extreme position of the time derivative of the moving average almost represents the time when the maximum power frequency component has changed greatly, and the time difference between the extreme positions of the time derivative in the left and right acoustic data is the large change in the acoustic waveform. This represents the difference in time when the part reaches the microphones 24L and 24R, that is, the phase difference.

このため本実施形態では、上述のように、移動平均値によるローパスフィルタリング後の波形に対し二値化微分計算を行うことで当該波形の変化特徴を単純化して抽出し、当該波形の微分値の極値位置を二値化微分値の立ち上り位置として特定して、位相差を算出している。   For this reason, in this embodiment, as described above, the binarized differential calculation is performed on the waveform after the low-pass filtering based on the moving average value to simplify and extract the change feature of the waveform, and the differential value of the waveform is extracted. The extreme value position is specified as the rising position of the binarized differential value, and the phase difference is calculated.

次に、音源方向算出処理(図2のステップS3)について説明する。
図9は、水平面(XY平面)における音源方向を特定する方法を示すための説明図である。図9には、XY平面上に投影されたマイクロホン24L、24Rの位置を表わす投影点60L、60Rと、投影点60Lと60Rとを結ぶ基準線62とが、人工可動耳装置1を装着した利用者の頭蓋を表わす略図64と共に示されている。
Next, the sound source direction calculation process (step S3 in FIG. 2) will be described.
FIG. 9 is an explanatory diagram for illustrating a method of specifying the sound source direction in the horizontal plane (XY plane). In FIG. 9, the projection points 60L and 60R representing the positions of the microphones 24L and 24R projected on the XY plane and the reference line 62 connecting the projection points 60L and 60R are used with the artificial movable ear device 1 attached. It is shown with a schematic diagram 64 representing a person's skull.

図9において、水平面内における音源方向(方位角Ψ)は、投影点60Lと60Rとの間隔MD、基準線62とy軸との為す角MA、及び、位相差算出処理(図7)において算出された位相差Tから、音速vを用いて次式により算出される。なお、算出される方位角は、X軸からY軸の正方向に向かう方向に沿って測った角度である。

Figure 0005889752
In FIG. 9, the sound source direction (azimuth angle Ψ h ) in the horizontal plane is the distance MD h between the projection points 60L and 60R, the angle MA h formed by the reference line 62 and the y axis, and the phase difference calculation process (FIG. 7). from the phase difference T d calculated in) it is calculated by the following equation using the speed of sound v s. The calculated azimuth angle is an angle measured along the direction from the X axis toward the positive direction of the Y axis.
Figure 0005889752

一方、矢状面(ZX面)においても同様に、矢状面に投影されたマイクロホン24L、24Rの矢状面上における間隔MDと、当該投影されたマイクロホン24Lと24Rとを結ぶ矢状面上の基準線がZ軸となす角MAより、矢状面上の音源の方向(仰角Ψ)が次式により算出される。なお、算出される仰角は、X軸からZ軸の正方向へ向かう方向に沿って測った角度である。

Figure 0005889752
On the other hand, also in the sagittal plane (ZX plane), the sagittal plane connecting the microphone 24L projected on the sagittal plane, and spacing MD v on sagittal plane 24R, and the projected microphone 24L and 24R From the angle MA v formed by the upper reference line and the Z axis, the direction of the sound source on the sagittal plane (elevation angle Ψ v ) is calculated by the following equation. The calculated elevation angle is an angle measured along the direction from the X axis toward the positive direction of the Z axis.
Figure 0005889752

図10は、音源方向算出処理の手順を示すフロー図である。
まず、音源方向算出部406は、MIC位置算出処理(図5のステップS1、図7)において算出したマイクロホン24L、24Rの3次元位置座標に基づき、これら2つのマイクロホン位置を水平面(XY平面)上に投影し(S301)、水平面上におけるマイクロホン間距離MDを算出すると共に(S302)、水平面上において2つのマイクロホン間を結ぶ基準線62がy軸と為す角度MAを算出する(S303)。
FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the sound source direction calculation process.
First, the sound source direction calculation unit 406 sets these two microphone positions on the horizontal plane (XY plane) based on the three-dimensional position coordinates of the microphones 24L and 24R calculated in the MIC position calculation process (steps S1 and 7 in FIG. 5). projected on (S301), calculates the microphone distance MD h in the horizontal plane (S302), the reference line 62 connecting between the two microphones in the horizontal plane is calculated the angle MA h that forms a y-axis (S303).

次に、音源方向算出部406は、2つのマイクロホン24L、24Rの3次元位置を矢状面(ZX平面)上に投影し(S304)、矢状面上におけるマイクロホン間距離MDを算出すると共に(S305)、矢状面上において2つのマイクロホン間を結ぶ基準線がZ軸と為す角度MAを算出する(S306)。 Then, the sound source direction calculation section 406, two microphones 24L, projecting the three-dimensional position of the 24R on the sagittal plane (ZX plane) (S304), calculates the microphone distance MD v on the sagittal plane (S305), a reference line connecting between the two microphones calculates an angle MA v which form the Z-axis on the sagittal plane (S306).

続いて、音源方向算出部406は、ステップS302及びS303において算出したMD及びMAと、位相差算出処理(図1のステップS2、図8)において算出した位相差Tとに基づき、式(11)を用いて水平面上における音源方向、すなわち、方位角Ψを算出し(S307)、同様に、ステップS305及びS306において算出したMD及びMAと、位相差Tとに基づき、矢状面上における音源方向、すなわち仰角Ψを算出して(S308)、処理を終了する。 Subsequently, the sound source direction calculation unit 406 calculates an equation based on the MD h and MA h calculated in steps S302 and S303 and the phase difference Td calculated in the phase difference calculation process (step S2 in FIG. 1 and FIG. 8). (11) is used to calculate the sound source direction on the horizontal plane, that is, the azimuth angle Ψ h (S307). Similarly, based on the MD v and MA v calculated in steps S305 and S306, and the phase difference T d , The sound source direction on the sagittal plane, that is, the elevation angle Ψ v is calculated (S308), and the process ends.

次に、MIC方向制御処理(図5のステップS4)について説明する。
マイクロホン24を音源の方向へ向けるには、音源の方位角Ψ及び仰角Ψから、モータ26及び28に設定すべき回転角度を算出する必要がある。
Next, the MIC direction control process (step S4 in FIG. 5) will be described.
In order to direct the microphone 24 toward the sound source, it is necessary to calculate the rotation angle to be set for the motors 26 and 28 from the azimuth angle Ψ h and the elevation angle Ψ v of the sound source.

本実施形態では、パラボラ状耳介4L及び4Rの中心軸(z軸)はヘッドバンド2のZ軸に対し45°だけ傾いており(図1)、従って、パラボラ状耳介4L、4Rのそれぞれにおいて、モータ26及び28によるマイクロホン24の回転平面(xy平面及びzx平面)も、それぞれ水平面(XY平面)及び矢状面(ZX平面)に対し45°傾いた状態となっている。   In this embodiment, the central axes (z-axis) of the parabolic auricles 4L and 4R are inclined by 45 ° with respect to the Z-axis of the headband 2 (FIG. 1). The rotation planes (xy plane and zx plane) of the microphone 24 by the motors 26 and 28 are also inclined by 45 ° with respect to the horizontal plane (XY plane) and the sagittal plane (ZX plane), respectively.

したがって、マイクロホン24を音源方向に向けるためのモータ26L及び26Rの回転角度θ’Lh及びθ’Rh、並びにモータ28L及び28Rの回転角度θ’Lv及びθ’Rvは、それぞれが音源の方位角Ψ及び仰角Ψを用いて表わされることとなり、具体的には次式で与えられる。

Figure 0005889752
Therefore, the rotation angles θ ′ Lh and θ ′ Rh of the motors 26L and 26R for directing the microphone 24 in the direction of the sound source, and the rotation angles θ ′ Lv and θ ′ Rv of the motors 28L and 28R are respectively the azimuth angles Ψ of the sound source. It is expressed using h and the elevation angle Ψ v , and is specifically given by the following equation.
Figure 0005889752

図11は、MIC方向制御処理(図5のステップS4)の手順を示すフロー図である。
まず、MIC方向制御部408は、音源方向算出処理(図5のステップS3、図10)により算出した方位角Ψと仰角Ψとに基づき、モータ26Lの回転角度θ’Lh、モータ28Lの回転角度θ’Lv、モータ26Rの回転角度θ’Rh、及びモータ28Rの回転角度θ’Rvを、式(12)により算出する(S401)。
FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of the MIC direction control process (step S4 in FIG. 5).
First, the MIC direction control unit 408 determines the rotation angle θ ′ Lh of the motor 26L and the motor 28L based on the azimuth angle Ψ h and the elevation angle Ψ v calculated by the sound source direction calculation process (step S3 in FIG. 5, FIG. 10). The rotation angle θ ′ Lv , the rotation angle θ ′ Rh of the motor 26R, and the rotation angle θ ′ Rv of the motor 28R are calculated by equation (12) (S401).

次に、MIC方向制御部408は、モータ26L、28L、26R、28Rがそれぞれ上記算出した回転角度に所定の時間T(例えば200ms)で到達するように、各回転角度を所定の回数sに分けて徐々に変化させる。 Next, the MIC direction control unit 408 sets each rotation angle to a predetermined number of times s so that the motors 26L, 28L, 26R, and 28R reach the calculated rotation angles in a predetermined time T s (for example, 200 ms). Divide and change gradually.

すなわち、MIC方向制御部408は、上述したMIC位置算出処理のステップS101(図7)において取得したモータ26及び28の現在の回転角度と上記ステップS401において算出した対応する各回転角度の目標値との差分を、それぞれ所定の回数sで分割して、モータ制御1回あたりに増加させる各回転角度の増分ΔθLh、ΔθLv、ΔθRh、ΔθRvを算出する(S402)。続いて、所定の時間をTを所定の回数sで分割して時間間隔ΔTを算出し(S403)、タイマ46を用いて時間計測をスタートする(S404)。 That is, the MIC direction control unit 408 obtains the current rotation angle of the motors 26 and 28 acquired in step S101 (FIG. 7) of the MIC position calculation process described above and the target value of each corresponding rotation angle calculated in step S401. Are divided by a predetermined number of times s, and increments Δθ Lh , Δθ Lv , Δθ Rh , Δθ Rv of each rotation angle to be increased per motor control are calculated (S402). Then, to calculate the divided and the time interval [Delta] T s a predetermined time T s at a predetermined number of times s (S403), starts the time measurement using the timer 46 (S404).

次に、MIC方向制御部408は、時間ΔTが経過する毎に、各モータ(26L,28L、26R、28R)の回転角度がそれぞれΔθLh、ΔθLv、ΔθRh、ΔθRvだけ増加するように各モータを制御する(S405)。続いて、各モータの回転角度が目標値θ’Lh、θ’Lv、θ’Rh、θ’Rvに達したか否かを判断し(S406)、達していなければ(S406、No)、ステップS405に戻って処理を繰り返し、達していれば(S406、Yes)、処理を終了する。 Next, the MIC direction control unit 408 increases the rotation angle of each motor (26L, 28L, 26R, 28R) by Δθ Lh , Δθ Lv , Δθ Rh , Δθ Rv each time the time ΔT s elapses. Each motor is controlled (S405). Subsequently, it is determined whether or not the rotation angle of each motor has reached the target values θ ′ Lh , θ ′ Lv , θ ′ Rh , θ ′ Rv (S406), and if not (S406, No), step Returning to S405, the process is repeated, and if it has been reached (S406, Yes), the process is terminated.

以上の処理により、人工可動耳装置1は、キネマティクス計算により2つのマイクロホン24L、24Rの現在の位置を正確に算出すると共に、これら2つのマイクロホンが取得した音響信号の最大パワー周波数における位相差を、移動平均計算によるローパスフィルタリングとその後の2値化微分計算による波形特徴抽出により算出し、上記算出した2つのマイクロホン位置と位相差とにより音源方向を算出して、当該2つのマイクロホンの方向を上記算出した音源方向に向ける。このように、位相差の算出にあたって最大パワー周波数での狭帯域バンドパスフィルタリングを行わないため、本処理は簡易に行うことができる。   With the above processing, the artificial movable ear device 1 accurately calculates the current positions of the two microphones 24L and 24R by kinematics calculation, and calculates the phase difference at the maximum power frequency of the acoustic signals acquired by these two microphones. , By low-pass filtering by moving average calculation and subsequent waveform feature extraction by binarized differential calculation, and by calculating the sound source direction based on the calculated two microphone positions and phase differences, the directions of the two microphones are calculated as described above. Direct to the calculated sound source direction. As described above, since the narrow-band bandpass filtering at the maximum power frequency is not performed in calculating the phase difference, this processing can be easily performed.

そして、人工可動耳装置1は、上記のようにマイクロホンの方向を最大パワー周波数を発する音源(目標音源)の方向へ向けることで当該目標音源からの音を他の音源に比べてさらに明瞭に受信できるようになり、その結果、上記動作を繰り返し行うことにより目標音源の方向を精度よく特定することができる。   The artificial movable ear device 1 receives the sound from the target sound source more clearly than other sound sources by directing the direction of the microphone toward the sound source (target sound source) that emits the maximum power frequency as described above. As a result, the direction of the target sound source can be accurately identified by repeating the above operation.

図12は、人工可動耳装置1の、水平面内に存在する音源に対する音源方向特定動作を観測した結果である。図12AはMIC方向制御処理を行わず、マイクロホン24L、24Rを一定の方向に固定した場合の観測結果を示し、図12BはMIC方向制御処理を行った場合の観測結果を示している。また、図12A及び図12Bにおいて、縦軸は水平面内に存在する実際の音源の方向(方位角)であり、横軸は人工可動耳装置1が特定した音源方向(方位角)である。斜めの線は、特定した音源方向が実際の音源方向と一致した場合を示す理想直線70であり、観測点は小さな円で示されている。   FIG. 12 shows the result of observing the sound source direction specifying operation for the sound source existing in the horizontal plane of the artificial movable ear device 1. 12A shows an observation result when the microphones 24L and 24R are fixed in a certain direction without performing the MIC direction control process, and FIG. 12B shows an observation result when the MIC direction control process is performed. 12A and 12B, the vertical axis represents the direction (azimuth angle) of an actual sound source existing in the horizontal plane, and the horizontal axis represents the sound source direction (azimuth angle) specified by the artificial movable ear device 1. The oblique line is an ideal straight line 70 that indicates a case where the specified sound source direction matches the actual sound source direction, and the observation points are indicated by small circles.

MIC方向制御処理を行わない場合には(図12A)、理想直線70上に乗る観測点は少なく、音源方向の特定誤差が大きいのに対し、MIC方向制御処理を行った場合には(図12B)、試行間でのばらつきは大きいものの、理想直線70上に乗る観測点は多く存在し、音源方向の特定誤差が改善されていることが判る。   When the MIC direction control process is not performed (FIG. 12A), there are few observation points on the ideal straight line 70, and the specific error in the sound source direction is large, whereas when the MIC direction control process is performed (FIG. 12B). However, although there are large variations between trials, there are many observation points on the ideal straight line 70, and it can be seen that the specific error in the sound source direction is improved.

以上説明したように、本願発明の人工可動耳装置は、簡易な処理で音源方向を算出することができ、当該音源方向の算出と当該算出した音源方向へマイクロホンを向ける動作を繰り返すことにより、目標音源からの音を明瞭に検知して音源方向を精度良く特定することができる。   As described above, the artificial movable ear device of the present invention can calculate the sound source direction by a simple process, and repeats the calculation of the sound source direction and the operation of directing the microphone toward the calculated sound source direction. Sound from the sound source can be clearly detected and the direction of the sound source can be specified with high accuracy.

1・・・人工可動耳装置、2・・・ヘッドバンド、4、4L、4R・・・パラボラ状耳介、6・・・制御装置、8・・・バッテリー、20・・・耳介部、24・・・マイクロホン、26、28・・・モータ、40・・・CPU、41・・・ROM、42・・・RAM、44・・・AD変換器、46・・・タイマ、48・・・入出力インタフェース、402・・・MIC位置算出部、404・・・位相差算出部、406・・・音源方向算出部、408・・・MIC方向制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Artificial movable ear apparatus, 2 ... Headband, 4, 4L, 4R ... Parabolic pinna, 6 ... Control apparatus, 8 ... Battery, 20 ... Pinna part, 24 ... Microphone, 26, 28 ... Motor, 40 ... CPU, 41 ... ROM, 42 ... RAM, 44 ... AD converter, 46 ... Timer, 48 ... Input / output interface, 402... MIC position calculation unit, 404... Phase difference calculation unit, 406... Sound source direction calculation unit, 408.

Claims (7)

複数のマイクロホンと、
前記複数のマイクロホンのそれぞれに設けられた、当該マイクロホンの方向を変更するアクチュエータと、
記アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記マイクロホンの現在の位置を算出し、前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出し、前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出し、前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出するよう構成されている、
人工可動耳装置。
Multiple microphones,
An actuator provided in each of the plurality of microphones to change the direction of the microphone;
Based on the current state of the previous SL actuator, calculates a current position of the microphone, the sound from the sound source obtained by the microphone, said microphone calculating a phase difference between the microphones, which is the calculated The direction of the sound source is calculated based on the distance between the microphones at the current position and the calculated phase difference, and the direction of the microphones is directed to the calculated direction of the sound source. A control device for controlling
With
The control device includes:
The phase difference at the frequency is calculated on the condition that the frequencies having the maximum power included in the sounds acquired from the microphones match each other .
Artificial movable ear device.
請求項に記載された人工可動耳装置において、
前記制御装置は、
前記各マイクロホンからそれぞれ取得された各音から前記最大パワーを持つ周波数を超える周波数を除去するローパスフィルタリングを行い、
当該ローパスフィルタリングされた後の各音の波形が極小値となる時刻の差を、前記位相差として算出するよう構成されている、
人工可動耳装置。
The artificial movable ear device according to claim 1 ,
The controller is
Perform low-pass filtering to remove frequencies that exceed the frequency with the maximum power from each sound acquired from each microphone,
It is configured to calculate the difference in time when the waveform of each sound after the low-pass filtering is a minimum value as the phase difference,
Artificial movable ear device.
請求項に記載された人工可動耳装置において、
前記ローパスフィルタリングは、前記各マイクロホンからそれぞれ取得された各音を所定の時間間隔で変換して得られるデジタルデータに対し移動平均計算を行うことにより行われる、
人工可動耳装置。
The artificial movable ear device according to claim 2 ,
The low-pass filtering is performed by performing a moving average calculation on digital data obtained by converting each sound acquired from each microphone at a predetermined time interval,
Artificial movable ear device.
請求項1ないしのいずれかに記載された人工可動耳装置において、
前記アクチュエータは、前記各マイクロホンを、所定の角度で交差する2軸周りに回転させるモータにより構成される、
人工可動耳装置。
The artificial movable ear device according to any one of claims 1 to 3 ,
The actuator is configured by a motor that rotates the microphones around two axes that intersect at a predetermined angle.
Artificial movable ear device.
請求項1ないしのいずれかに記載された人工可動耳装置において、
前記音源の方向は、当該人工可動耳装置を装着する装着者の矢状面内に投影された音源の方向、又は当該矢状面に直交する水平面内に投影された音源の方向である、
人工可動耳装置。
The artificial movable ear device according to any one of claims 1 to 4 ,
The direction of the sound source is the direction of the sound source projected in the sagittal plane of the wearer wearing the artificial movable ear device , or the direction of the sound source projected in the horizontal plane perpendicular to the sagittal plane.
Artificial movable ear device.
複数のマイクロホンと、
前記複数のマイクロホンのそれぞれに設けられた、当該マイクロホンの方向を変更するアクチュエータと、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記マイクロホンの現在の位置を算出するデバイスと、
前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出するデバイスと、
前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出するデバイスと、
前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御するデバイスと、
を備え
前記位相差を算出するデバイスは、前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出する
人工可動耳装置。
Multiple microphones,
An actuator provided in each of the plurality of microphones to change the direction of the microphone;
A control device;
With
The controller is
A device for calculating a current position of the microphone based on a current state of the actuator;
A device for calculating the phase difference between the microphones of the sound from the sound source acquired by the microphone;
A device for calculating the direction of the sound source based on the calculated distance between the microphones at the current position of the microphone and the calculated phase difference;
A device for controlling the actuator so that the direction of each microphone is directed toward the calculated sound source;
Equipped with a,
The device for calculating the phase difference calculates the phase difference at the frequency on the condition that the frequencies having the maximum power included in the sounds acquired from the microphones match each other .
Artificial movable ear device.
複数のマイクロホンに設けられた当該マイクロホンの方向をそれぞれ変更する各アクチュエータの現在の状態に基づいて、前記複数のマイクロホンの現在の位置をそれぞれ算出するステップと、
前記マイクロホンにより取得された音源からの音の、当該マイクロホン間での位相差を算出するステップと、
前記算出された前記マイクロホンの現在の位置における当該マイクロホン間の距離と、前記算出された位相差とに基づき、前記音源の方向を算出するステップと、
前記各マイクロホンの方向が前記算出した前記音源の方向へ向くように、前記アクチュエータを制御するステップと、
を有し
前記位相差を算出するステップは、前記各マイクロホンから取得された各音に含まれる最大パワーを持つ周波数が互いに一致することを条件として、当該周波数における前記位相差を算出する
音源方向の特定方法。
Calculating the current position of each of the plurality of microphones based on the current state of each actuator that respectively changes the direction of the microphone provided in the plurality of microphones;
Calculating a phase difference between the microphones of the sound from the sound source acquired by the microphone; and
Calculating the direction of the sound source based on the calculated distance between the microphones at the current position of the microphone and the calculated phase difference;
Controlling the actuator so that the direction of each microphone is directed to the calculated direction of the sound source;
Have,
The step of calculating the phase difference calculates the phase difference at the frequency on the condition that the frequencies having the maximum power included in the sounds acquired from the microphones match each other .
A method for identifying the sound source direction.
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