MEMS mikrofon dizini ile varış zaman farkı esaslı akustik yön tespiti
Time difference of arrival based acoustic direction estimation with MEMS microphone array
Yazar: NURİ BAŞAR
Danışman: PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Sistemlerin, çevrelerindeki yapay ve doğal seslere uygun tepkiler üretebilmeleri, ilgili komutları gerçekleştirebilmeleri ve sürekli bir etkileşim içinde olabilmeleri, tasarım amaçları doğrultusunda kritik bir gerekliliktir. Bu gerekliliğin karşılanmasında önemli rol oynayan alanlardan biri de akustik yön tespiti olup, bu alanda çeşitli yaklaşımlar bulunmaktadır. Özellikle otonom hareketin gerektiği robotik uygulamalarda, sesli kontrol sistemlerinde, arama kurtarma çalışmalarında ve askeri uygulamalarda, akustik yön tespiti, sistemlerin çevreleriyle etkileşimde bulunmalarını ve çeşitli görevleri başarıyla yerine getirmelerini sağlamak için kritik bir parça olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlamda, akustik yön tespiti, çeşitli ses kaynaklarını doğru bir şekilde belirleyerek sistemlere çevresel bilgi sağlama yeteneği ile öne çıkar. Bu bilgi, robotik uygulamalarda nesnelerle etkileşime geçerken veya sesli komutları algılayarak doğru tepkileri üretirken oldukça kritiktir. Ayrıca, arama kurtarma operasyonlarında, sesin geldiği yönü belirlemek, kayıp kişilerin yerini tespit etmek için hayati önem taşır. Ses tabanlı etkileşim sistemleri, kullanıcıların doğal bir şekilde cihazlarıyla iletişim kurmalarına olanak tanır. Bu doğrultuda, akustik yön tespiti, sesli komutları doğru bir şekilde anlamak ve yanıtlamak için önemlidir. Aynı zamanda, askeri uygulamalarda düşmanın sesli aktivitelerini izlemek ve saptamak, stratejik avantajlar elde etme açısından ciddi bir rol oynar.
Akustik yön tespiti, çeşitli uygulama alanlarında sistemlerin etkileşim yeteneklerini artırarak, kullanıcı dostu ve etkili bir performans sağlamak adına önemli bir unsurdur. Bu nedenle, akustik yöntemlere dayalı yeni yaklaşımların geliştirilmesi ve mevcut sistemlerin bu teknolojilerle entegre edilmesi, ilerleyen teknoloji ve uygulama alanlarında büyük bir potansiyele sahiptir. Akustik yön tespiti yaklaşımları genellikle sinyaller arası zaman farkı esasına göre gerçekleştirilmektedir. Bu prensip, ses dalgalarının bir sensör dizisi tarafından algılanması ve sinyaller arasındaki zaman farklarının analiz edilmesine dayanır. Yüksek hassasiyetli sensörlerin kullanımı ve gelişmiş algoritmaların entegrasyonu, ses kaynağının konumunu daha hassas bir şekilde belirleme yeteneğini arttırmaktadır. Gelişmiş algoritmaların entegrasyonu da önemlidir çünkü bu, çok sayıda veriyi hızlı ve etkili bir şekilde işleyerek ses kaynağının konumunu belirlemeyi sağlar. Bu algoritmalar, yankı, gürültü, atmosferik koşullar gibi çeşitli faktörleri dikkate alarak doğruluk ve güvenilirlik seviyelerini artırabilir. Akustik yön tespiti sürecinde algoritma geliştirmeye yönelik araştırmalar, bu teknolojinin performansını optimize etme ve çeşitli zorluklarla başa çıkma konusundaki başarıyı artırma potansiyeline sahiptir. Bu bağlamda, gelişen algoritmalar ve sensör teknolojileri, akustik yön tespiti alanındaki inovasyonlara olanak sağlamaktadır. Farklı mikrofon dizin tasarımları ve uygulanan çeşitli metodlar ile akustik yön tespiti alanında gürbüz sonuçlar üretebilen yaklaşımlar gün yüzüne çıkmaktadır.

Tez çalışması, yenilikçi bir mikro elektro mekanik sistem (MEMS, Micro Electro Mechanical Systems-MEMS) mikrofon dizini tasarımını kapsamaktadır. Bu mikrofonlar, küçük boyutları ve her yöne duyarlı olmaları sayesinde öne çıkmaktadır. Altı adet MEMS mikrofonu düzlem üzerinde aralarında eşit mesafe olacak şekilde konumlandırılmıştır. Mikrofonlar, hızlı işlem gücüne sahip ve aynı anda yüksek hızda veri örnekleyebilen bir mikroişlemci modülü ile entegre edilmiştir. Bu mikroişlemci modülü, hem hızlı işlem yeteneği hem de düşük maliyetiyle dikkat çekmektedir. Modül bünyesinde alınan ses sinyalleri, belirli bir haberleşme formatı kullanılarak ethernet üzerinden bilgisayar ortamına aktarılmıştır.

Yön tahmini için varış zaman farkı (VZF, Time Difference of Arrival-TDOA) yöntemi üzerinde durulmuştur. VZF yöntemi  kaynaktan gelen ses sinyallerinin mikrofonlar tarafından aralarında zaman gecikmeleri ile algılanmasını ve bu gecikme hesabı ile yön kestirimi yapabilmeyi öngörmektedir. Bilgisayar yazılımına alınan veriler, çeşitli süzgeçleme işlemlerinden geçirildikten sonra elde edilen sinyaller üzerinde çapraz ilinti hesabı temelinde çalışan faz terimli genel çapraz ilinti (FTGÇİ, Generalized Cross Correlation with Phase Transform-GCC PHAT) algoritması ile işlenmiştir. Bu algoritmanın tercih edilme nedeni, yapılan testlerin sonuçlarına dayanarak gürültülü ses sinyallerinde daha sağlam ve güvenilir sonuçlar üretmesidir. Elde edilen zaman farkları, ikili bir formatta incelenerek akustik yön tespiti için temel olan açı değerleri belirlenmiştir. Bu adım, ses kaynağının konumunu belirlemede kritik olup, FTGÇİ algoritmasının başarıyla uygulanması, doğru ve güvenilir akustik yön tespiti sonuçlarının elde edilmesini sağlamaktadır.   

Akustik yön tespiti sonuçları, MATLAB üzerinde tasarlanan bir arayüz ile anlaşılır ve çok fonksiyonlu bir şekilde sunulmuştur. Akustik yön tespiti çalışması ile elde edilen açı değerleri, polar grafik üzerinde oluşturulan bir yön indikatörü aracılığıyla görselleştirilmiştir. Birden fazla mikrofon kullanımı, açı değerleri üzerinden daha fazla tahmin yapma olanağı sağlamıştır. Bu tasarımın, ses kaynağının konumunu doğru ve güvenilir bir şekilde belirleme yeteneği, çeşitli uygulama alanlarında kullanılmak üzere özgün bir akustik yön tespiti çözümü sunmaktadır.

Sınamalar ve analiz çalışmaları kapsamında, ilk olarak kullanılan MEMS mikrofonunun ses kaynağının uzaklığına göre tepkisinin analizine yer verilmiştir. Ardından farklı çapraz ilinti metotları karşılaştırılmıştır. Aynı ses kaynağı ve mikrofon dizini kullanılarak seçilen yöntemler uygulanmış ve yön kestirimi gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte, gerçek değere en yakın sonuçları üreten metot belirlenmiştir. Ardından, çeşitli ses kaynakları kullanılarak aşama aşama belirli açı aralıkları ile mikrofonlara ses sinyalleri gönderilmiş ve detaylı analizler yapılmıştır. Bu adımlar, metotların genel performansını ve çeşitli koşullardaki etkinliğini değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir.

Akustik yön tespiti çalışmasında, güncel teknolojiye uygun MEMS mikrofonlarıyla işlevsel bir dizi tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tasarım, FTGÇİ yöntemi ile anlık tepkiye dayalı olarak hızlı sonuçlar üretebilen bir sistem üzerine kurulmuştur. Sistem, gerçek zamanlı çalışma özelliği ve hızlı veri aktarımı sayesinde işlem sürelerindeki zaman gecikmelerini en aza indirmektedir.

Abstract:
The ability of systems to generate appropriate responses to both artificial and natural sounds in their surroundings, execute relevant commands, and engage in continuous interaction is a critical requirement aligned with design objectives. Acoustic direction finding plays a significant role in meeting this requirement, offering various approaches in the field. This is particularly evident in robotic applications requiring autonomous movement, voice control systems, search and rescue operations, and military applications, where acoustic direction finding stands out as a crucial component for systems to effectively interact with their surroundings and accomplish diverse tasks. In this context, acoustic direction finding distinguishes itself by providing systems with the ability to accurately identify various sound sources, thereby offering essential environmental information. Such information is critical in robotic applications for interacting with objects and producing accurate responses by detecting voice commands. Moreover, in search and rescue operations, determining the direction of sound is vital for locating missing individuals. Sound-based interaction systems also enable users to communicate naturally with their devices. Acoustic direction finding is crucial in this context for accurately understanding and responding to voice commands. Additionally, in military applications, monitoring and detecting enemy vocal activities play a significant role in gaining strategic advantages. Acoustic direction finding becomes a crucial element in enhancing the interaction capabilities of systems across various application areas, ensuring user-friendly and effective performance. Therefore, the development of new approaches based on acoustic methods and the integration of existing systems with these technologies hold significant potential in advancing technology and application domains. Acoustic direction finding approaches are generally based on the time difference between signals. This principle relies on detecting sound waves through an array of sensors and analyzing the time differences between signals. The use of high-precision sensors, along with the integration of advanced algorithms, enhances the ability to determine the location of the sound source more accurately. The integration of advanced algorithms is crucial as it allows for the fast and effective processing of large amounts of data to determine the location of the sound source. These algorithms, considering various factors such as echo, noise, and atmospheric conditions, can increase accuracy and reliability levels. Research on algorithm development in the acoustic direction detection process has the potential to optimize the performance of this technology and enhance success in dealing with various challenges. Evolving algorithms and sensor technologies in this context provide opportunities for innovations in the field of acoustic direction finding, with emerging approaches producing robust results through different microphone array designs and various applied methods.

The thesis presents a novel design for a MEMS microphone array that stands out for its omnidirectional sensitivity and small size. On a plane, six MEMS microphones are placed at consistent intervals. A microprocessor module that is renowned for its quick processing speed and simultaneous high-speed data sampling is effortlessly integrated with these microphones. Notably, this microprocessor module excels in cost-effectiveness as well as quick processing speed. Through the use of a particular communication standard, the audio signals received within the module are effectively communicated via ethernet to a computer environment.

The main focus is on direction estimate using the TDOA approach. In order to estimate direction based on these delays, this method anticipates the detection of sound signals from the source by microphones with different delays among them. After being seamlessly incorporated into the computer program, the gathered data is subjected to an advanced processing phase that makes use of the GCC-PHAT algorithm. Extensive testing has verified that this algorithm is particularly selected because it produces strong and dependable results, particularly under demanding circumstances characterized by the presence of noisy sound sources.

Precise angle values are extracted by carefully examining the time differences that come from painstaking processing in involving two things. This is an essential step in the acoustic direction finding process. This crucial stage guarantees the smooth operation of the GCC-PHAT algorithm in addition to making a substantial contribution to pinpointing the precise position of the sound source. In the field of acoustic direction finding, the algorithm's accuracy and dependability are due to its strong performance in managing several filtering procedures and its ability to withstand difficult acoustic settings.

The MATLAB-crafted interface, which is both versatile and easy to use, successfully showcases the results of the study on acoustic direction finding. A directional sign on a polar graph is used to graphically indicate angle values, which are a byproduct of the acoustic direction finding process. Based on the obtained angle values, using numerous microphones improves the prediction power. With the ability to accurately and consistently locate the location of the sound source, this cutting-edge interface offers a novel and effective approach to acoustic direction finding. Its versatility highlights its wide range of applicability and efficacy by making it appropriate for a variety of application areas.

As part of testing and analysis endeavors, the analysis of the response of the MEMS microphone used according to the distance of the sound source was initially included. Then, various cross-correlation methods were subjected to comparison. Selected methodologies were implemented utilizing identical sound sources and microphone arrays, and direction estimation was conducted. During this phase, the method that yielded results closest to the ground truth was identified. Following this, diverse sound sources were employed to transmit audio signals incrementally to the microphones at specified angle intervals. Subsequent to these incremental steps, comprehensive analyses were undertaken. These meticulous procedures were undertaken to assess the comprehensive performance of the methods and their efficacy across a spectrum of conditions.

In the field of acoustic direction finding studies, an effective array configuration using MEMS microphones made to meet modern technology requirements has been used. This well-thought-out design centers on a system that is designed to produce results quickly, using the instantaneous response time of the GCC-PHAT approach. One noteworthy feature of this system is its ability to minimize processing delays by integrating real-time operations with sophisticated data transfer capabilities in a seamless manner. This synthesis aims to complete acoustic direction finding work quickly and provides ease of use.