專利名稱：一種自主搜尋聲源的機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種自動檢測及機器人技術，具體為一種可應用于實際 室內環境下具有立體雙耳聲覺傳感器陣列的自主搜尋聲源的機器人，國際專
利分類號擬為Int.Cl.G01D 21/02 (2006.01)。
背景技術：
隨著各國對國家安全、社會治安等公共事業的高度重視，以防暴、反恐、 消防滅火、排險救援等為特征的危險作業移動機器人的需求日益凸現。在工 業上，各種危險化學反應釜、危險品儲罐及其管道的檢測與維修機器人的需 求日益高漲，尤其是在石化行業，隨著我國石化工業的發展，各類化學反應 容器和輸送管道的泄漏檢測與修補已成為石化工業避免事故的關鍵技術，但 目前存在的突出問題是如何實現移動機器人對可疑物品的準確判斷。在特殊 環境中搜尋并跟蹤特定目標、獲取與所跟蹤目標的準確距離、判斷聲源方向 同時進行聲音的識別以及為打擊武器進行自動瞄準等工作就顯得很重要，對 于保障人民生命財產安全，促進經濟社會的和諧發展具有重大現實意義。
聲源跟蹤、定位與移動機器人技術相結合，通過使用移動機器人來發現、 跟蹤確定聲源位置并識別聲音，這種主動或自主搜尋可以有效地彌補傳統方 法(如固定傳感器網絡法、專業人員或經過訓練的動物到泄漏源現場査找等) 存在的缺點。 一方面，由于移動機器人的運動性，它相當于組成一個移動傳 感器網絡，相比固定傳感器可以覆蓋更大的范圍且運動靈活；另一方面，機 器人可被快速開發，維護費用低，且可長時間工作，也不存在人身危險和注 意力時間有限、易疲勞等問題。移動傳感器網絡在聲源探測的過程中起著舉 足輕重的作用。
聲覺傳感器(以下簡稱傳聲器)能以各種不同的方式組合為陣列。傳聲 器陣列可以加強不同方向的信號。由于傳聲器的各種加權求和相當于以不同 的方式處理相同的數據，多個方向上的信號源就可以同時被提取，因此傳聲 器陣列可以克服單一傳聲器在接收和處理空間信號方面的局限性，具有良好 的性能。傳聲器陣列形式主要有線陣、面陣、立體陣。每一種傳聲器陣列都
有其獨到的一面。現有傳聲器陣列存在的問題是線陣由于其軸對稱性，在 定位時可能會造成空間模糊；面陣可以在整個平面對目標進行定位，也可以 對陣列所在平面為界的半個空間進行定位；立體陣可以對整個空間進行定位， 但它們的陣列數量多，算法要復雜的多，運算量較大；另外，現有的傳聲器 陣列與機器人結合的較少，并且具有很大的局限性，例如，YukiTAMAI等人 (Yuki TAMAI等，基于128個傳聲器組成陣列的實時2維聲源定位，IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication會議論 文集，2004年，65-70 ; YukiTAMAI,SatoshiKAGAMI,HiroshiMIZOGUCHl, Yutaka AMEMIYA, Koichi anathema, Tachyon TAKANO ， Real-Time 2 Dimensional Sound Source Localization by 128-Channel Huge Microphone Array, Proceedings of the 2004 IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication, 2004: 65-70)提出一種用128個傳聲器組成 的陣列進行聲源定位的方法，其傳聲器數量太多，結構復雜，用在機器人的 頭部既不實際，也沒必要；又例如，K.Nakadai等人(K. Nakadai等，基于機 器人聽覺的聲源定位和區別，/wtem加'o"a/ Con/ew"ce ow Spofen 丄朋gwflge尸racasw"g^議論文集，2002年，193-196; K. Nakadai， H. G. Okuno， and H. Kitano ，sound source localization and separation for robot audition,
2002: 193-196)和Takehiko等人(Takehiko Katayama，基于雙耳模型的三維聲 源定位系統的發展，Toyohashi University of Technology master's thesis, 2005; Takehiko Katayama, Development of 3-D Sound Localization System by Binaural Model, Toyohashi University of Technology master's thesis, 2005 )分另'J提出的一 種用兩個傳聲器作為機器人的左右耳的聲源定位的方法，其傳聲器的數量又 太少，并且兩個傳聲器組成的線陣不能進行聲源的空間定位，不能滿足實際 需要。
實用新型內容
針對現有技術的不足，本實用新型要解決的技術問題是，提出了一種自 主搜尋聲源的機器人，該機器人具有立體雙耳傳聲器陣列，可以主動進行聲源 的空間定位和自動跟蹤，且結構簡單，計算量較少，有利于實際應用。
本實用新型解決所述技術問題的技術方案是設計一種自主搜尋聲源的 機器人，它包括具有擬人頭部的移動機器人和傳聲器陣列，移動機器人內裝 PC機，其特征在于所述的傳聲器陣列由4個傳聲器組成，分別布裝在機器人 擬人頭部外廓圓的最大內接正方形的四個頂點位置上，且移動機器人擬人頭
部的兩側各2個傳聲器，分別為移動機器人的左右耳，構成立體雙耳傳聲器
陣列，所述的傳聲器通過4路聲卡與移動機器人內裝的PC機相連；所述移動
機器人的擬人頭部可以左右轉動180度。
與現有技術相比，本實用新型的自主搜尋聲源的機器人具有如下優點
1. 性能優良。本實用新型機器人，特別把傳聲器陣列擬人化，作為機 器人擬人頭部的左右耳朵，不僅可自主搜尋聲源的位置，而且可以利用移動 的機器人本體進行聲源的自動跟蹤。
2. 結構簡單。本實用新型僅采用4個傳聲器組成的陣列，即可以進行
聲源的空間定位，結構簡單，且計算量不大，適用于定位的實時實現。
3. 靈活性大。相比固定傳感器網絡法確定聲源位置，本實用新型由于
機器人的移動性，相當于組成一個移動傳感器網絡，因此搜索的靈活性更大。
圖1為本實用新型自主搜尋聲源機器人具有的立體雙耳傳聲器陣列在移 動機器人擬人頭部一種安裝實施例的結構示意圖。
圖2為本實用新型自主搜尋聲源機器人具有的立體雙耳傳聲器陣列與聲 源位置關系坐標系圖。
圖3為本實用新型自主搜尋聲源機器人具有的立體雙耳傳聲器陣列一種 實施例的聲源搜索定位原理框圖。
具體實施方式
下面結合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型。實施例是以本實用新型 技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本實用新型 權利要求的保護范圍不限于下述的實施例。
本實用新型設計的自主搜尋聲源機器人(以下簡稱機器人，參見圖1 、 3)， 它包括具有擬人頭部的移動機器人和傳聲器陣列，移動機器人內裝PC機，其 特征在于所述的傳聲器陣列由4個傳聲器(即M,-M》組成，分別布裝在移動
機器人擬人頭部外廓圓(垂直面)的最大內接正方形的四個頂點位置上(即
各傳聲器之間的距離相等)，且移動機器人擬人頭部的左右兩側各2個傳聲 器，分別為移動機器人的左右耳，構成立體雙耳傳聲器陣列(簡稱傳聲器陣
列或陣列)，所述的傳聲器通過4路聲卡和移動機器人內的PC機相連；所述
移動機器人的擬人頭部可以左右轉動180度(即可以作360度轉動搜尋)。
研究表明，由n個傳聲器組成的陣列可以得到n-l個時延，因此確定空 間中的目標位置至少需要4個傳聲器。所以本實用新型選定由4個傳聲器組 成的平面陣作為聲源的定位陣列。這樣既可以達到要求，完成任務，計算量 也不是很大，對于實現實時的定位有很大的幫助。
考慮到移動機器人的實時性和計算量的要求，本實用新型實施例采用了 基于時延的定位方法。定位的關鍵步驟分為2步時延估計和定位。
本實用新型機器人的傳聲器陣列結構簡單，計算量也不是很大，又能完 成對空間聲源的定位，對于實現實時的聲源定位具有很大的益處。本實用新 型建立了傳感器陣列和聲源的位置關系坐標系(參見圖2)。在圖2中，S為 聲源，M,-M4表示傳聲器，9代表方位角，CD代表仰角，L代表傳聲器陣列的正 方形邊長。經計算可分別得到如下三個參數的表達式
<formula>formula see original document page 6</formula>
公式(3)中的R表示聲源和傳聲器陣列中心的距離，C為聲速。~表示 本實用新型傳聲器陣列中任意兩個傳聲器之間的時間延遲(如^表示傳聲器 M4和M,之間的時間延遲)。從上述公式中可以看出只要把傳聲器M,和傳聲器 M2 Ma分別組成三個傳聲器對并求得M2 M^相對于傳聲器VL的時間延遲就 可以得到聲源的位置。
本實用新型機器人的工作原理是(參見圖3):移動機器人利用其雙耳 傳聲器陣列進行聲源定位。聲源到任意兩個傳聲器的距離不--樣，因此到達
時間也不一樣，到達該兩個傳聲器的時間就會有一個時間延遲。本實用新型 的定位就是基于這樣的原理來實現的。實際應用中，傳聲器可接受工作空間 中的聲音信號并進行相應的處理。上述三個傳聲器對中任意一對傳聲器(即
傳聲器M,和Mj組成的傳聲器對.Mj為傳聲器M2 J/U中任意一個)，如果沒有 檢測到聲音信號，就把環境噪聲信號記錄下來，并求得兩路噪聲信號的互功 率譜；當檢測到聲音信號時，聲音信號經過一系列的預處理(包括采樣、濾 波、端點檢測、分幀、加窗、預加重，快速傅立葉變換)求得兩路聲音信號 的互功率譜，并在其中減去原來環境噪聲的互功率譜，這樣可以得到明顯的 聲音信號信息。實際應用中，左右耳每對傳聲器(傳聲器M,、 M2為機器人的 右耳傳聲器對，傳聲器M3、 M^為機器人的左耳傳聲器對)可接受工作空間中 的聲音信號，但聲源到傳聲器Mr仏中的任意兩個傳聲器(例如傳聲器M2和傳 聲器MJ的距離不一樣，因此到達時間也不一樣，到達該兩個傳聲器的時間 就會有一個時間延遲。初步去掉噪聲的兩信號之間的互功率譜在頻域內給予 一定的加權(頻域加權)，并對信號和噪聲進行白化處理，增強信號中信噪 比較高的頻率成分，從而進一步抑制噪聲的影響，再經過反傅立葉變化(IFFT) 轉換到時域，得到兩信號之間的廣義互相關函數，廣義互相關函數峰值對應 兩傳聲器間的時延，對廣義互相關函數峰值檢測求得時間延遲。得到每個傳 聲器對的時間延遲數據后，代入到上述通過幾何模型定位法得到的三個位置 參數公式((1) — (3))中，就可以得到目標聲源的位置。硬件的實現過 程采集到的聲音信號通過與傳聲器連接的聲卡傳遞給機器人內的PC機，PC 機通過依據上述算法編寫的程序對采集到的聲音信號進行處理。計算出目標 聲源的位置后，聲源的位置信息會發送給機器人的控制系統，控制系統得到 定位結果后，利用所配裝的PMAC卡和伺服電機可以控制移動機器人(本體) 進行聲源的自動跟蹤。
針對不同的實際應用環境的地面狀況，本實用新型實施例的移動機器人 可采用輪式、履帶式或輪履復合式移動機器人。機器人的運動控制由PMAC運 動控制卡和伺服電動機完成。
所述的自主搜尋聲源是指使用移動機器人，以自主(非遙控)的方式來 發現、跟蹤聲源線索并確定聲源位置的過程。本實用新型機器人可用于石化 泄漏檢測、大型工廠的倉庫保安、公共安全的危險源探測等方面。
本實用新型未述及之處適用于現有技術。
權利要求1. 一種自主搜尋聲源的機器人，它包括具有擬人頭部的移動機器人和傳聲器陣列，移動機器人內裝PC機，其特征在于所述的傳聲器陣列由4個傳聲器組成，分別布裝在機器人擬人頭部外廓圓的最大內接正方形的四個頂點位置上，且移動機器人擬人頭部的兩側各2個傳聲器，分別為移動機器人的左右耳，構成立體雙耳傳聲器陣列；所述的傳聲器通過4路聲卡與移動機器人內裝的PC機相連；所述移動機器人的擬人頭部可以左右轉動180度。
專利摘要本實用新型涉及一種自主搜尋聲源的機器人，它包括具有擬人頭部的移動機器人和傳聲器陣列，移動機器人內裝PC機，其特征在于所述的傳聲器陣列由4個傳聲器組成，分別布裝在機器人擬人頭部外廓圓的最大內接正方形的四個頂點位置上，且移動機器人擬人頭部的兩側各2個傳聲器，分別為移動機器人的左右耳，構成立體雙耳傳聲器陣列，所述的傳聲器通過4路聲卡與移動機器人內裝的PC機相連；所述移動機器人的擬人頭部可以左右轉動180度。
文檔編號G01S5/18GK201210187SQ20082007501
公開日2009年3月18日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者呂曉玲, 張明路 申請人:河北工業大學