机器人目标定位追随系统的制作方法

本实用新型涉及机器人，尤其涉及一种基于声源定位和双目视觉的机器人目标定位追随系统。

背景技术：

随着技术的日益发展，人们对机器人尤其是服务型机器人的智能性要求越来越高，不仅要求能听会说能动，还要能准确的知道人的方位，这样就可以转向说话人，增强人机交互的智能性。

目前的机器人定位大多是基于麦克风阵列的声源定位系统。声源定位的基本原理，就是将采集声音信号的传声器在空间上布成一定拓扑结构的接收阵列，传声器工作在被动接收的状态下，接收来自目标声场的声音信息并采用一定的算法对声源信号进行处理，从而估计出目标声源在空间上的位置和运动速度等信息。声波到达传声器阵列中各个阵元的时间和角度不同，则导致不同阵元之间接收到的声音信号在时间上存在差值，即通常所说的时间延时。声源定位技术正是利用对这些时延信息进行处理，最后估算出声源的位置和方向信息，即实现声源定位。

目前声源定位的缺陷一是无法做到精确定位，大概在10度左右的精度，二是定位技术手段单一，只能依靠声音，连续定位需要人不停的说话。三是在嘈杂的环境下，定位效果很差。

技术实现要素：

发明目的：本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种机器人目标定位追随系统，该系统结合声源定位以及人工视觉解决定位精度低的问题，可以实现连续定位，进而控制机器人的脖子或者底盘转动，达到正面面向目标人脸的目的，提升交互的人性化和智能性。

技术方案：本实用新型所述的机器人目标定位追随系统，包括视觉模组、麦克风阵列模组、主控制器、运动控制器、脖子转动伺服舵机和底盘转动伺服舵机，其中，视觉模组、麦克风阵列模组和运动控制器分别连接主控制器，脖子转动伺服舵机和底盘转动伺服舵机分别连接运动控制器。

进一步的，所述视觉模组和麦克风阵列模组分别通过串口/USB/I2C连接主控制器，运动控制器通过RS422串口连接主控制器，脖子转动伺服舵机和底盘转动伺服舵机分别通过RS485总线连接运动控制器。

进一步的，所述视觉模组安装于机器人眼部上方，麦克风阵列模组安装于机器人头顶部，主控制器和运动控制器安装于机器人头内，脖子转动伺服舵机安装于机器人头部下方，用于机器人头部的俯仰动作和转动动作控制，底盘转动伺服舵机安装于机器人脚底，用于机器人整体的转动动作控制。

进一步的，所述视觉模组具体为单摄像头模组或双摄像头模组。

进一步的，所述麦克风阵列模组为五麦克风阵列或四麦克风阵列。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

1、定位技术双重保障，麦克风定位主要是触发以及粗定位，粗定位以及试探后可以把人脸定在摄像头的视场范围内，进而依靠视觉进行自动连续定位。

2、麦克风阵列定位360度无死角。

3、借助视觉定位可以做到更精细，因为视觉人脸检测的精度是像素级的，远远高于声源定位的精度，弥补不足。

4、脖子和底盘结合的转动方式，目标人在身前时，使用脖子转动，目标人在身后时，使用底盘转动，精细定位时再依靠脖子转动进行微矫正，更具智能性，更拟人。

5、在现有技术声源定位10度左右的误差的情形下，采用左右转动试探的方式，进行扫描，可以基本排除人脸在视场边缘未被检出的情况，有效降低漏检率。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的系统框图；

图2是本实用新型的实体机器人头部示意图；

图3是本实用新型的实体机器人颈部示意图；

图4是本图3的侧视图；

图5是本实用新型的实体机器人的整体示意图；

图6是本实用新型的工作原理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的机器人目标定位追随系统包括视觉模组1、麦克风阵列模组2、主控制器3、运动控制器4、脖子转动伺服舵机5和底盘转动伺服舵机6。其中，视觉模组1和麦克风阵列模组2分别通过串口/USB/I2C连接主控制器3，运动控制器通过RS422串口连接主控制器3，脖子转动伺服舵机5和脖子转动伺服舵机6分别通过RS485总线连接运动控制器4。主控制器3具体为ARM Cortex-A17架构处理器。运动控制器4具体为ST的MCU。

如图2所示，视觉模组1具体为双摄像头模组(也可以为单摄像头模组)，安装于机器人眼部上方，视觉模组1可以得到视场范围内的物体的深度信息，进行人脸检测进而得到人脸的位置信息，深度信息结合人脸的位置可以得到人脸距离机器人本体的距离。麦克风阵列模组2具体为五麦克风阵列(也可以为四麦克风阵列)，安装于机器人头顶部，麦克风阵列模组可以在采集到周围的声音，并且实时向主控制器3输出声源在水平面的角度，可以得到0到360度范围的角度，这个角度的起始点是根据麦克风的位置摆放人为定义的，可以定义机器人正前方为90度，向左减小，向右增大，角度范围0～360。主控制器3和运动控制器4安装于机器人头内。如图3和图4所示，脖子转动伺服舵机5安装于机器人头部下方，用于机器人头部的俯仰动作和转动动作控制(上方的舵机负责俯仰，下方的舵机负责转动)。如图5所示，底盘转动伺服舵机6安装于机器人脚底，用于机器人整体的前后转动动作控制。为了机器人转动时角度计算方便，定义脖子和底盘的舵机水平方向上的绝对角度跟麦克风阵列模组的绝对角度一致。

如图6所示，本实用新型的定位方案的步骤主要是采用声源定位进行粗定位，然后实用视觉进行精确定位。具体到细节，考虑到声源定位精度问题，当到达声源定位的角度后，如果还没有发现人脸，则向左转一定角度，再检测人脸，如果未发现人脸再往右转2倍的角度。这个角度设定根据不同的摄像头模组的视场范围来定(例如本方案的摄像头视场范围为53度)。发现人脸后要计算水平方向上人脸的中点相对于图片的中点偏离的角度，然后再控制脖子转动矫正。直到人脸居中，居中的定义为人脸的中心点到图片左边框的距离与图片的宽的比例m满足0.5-n<m<0.5+n(0.5>n>0)，n是人为设定的阈值。其中，人脸的中点相对于图片的中点(即视场中点)偏离角度的计算方法：arctan(tan(θ/2)×|d/s-0.5|),其中θ为摄像头的视场范围，d为人脸中点到图片左边框的距离，s为图片宽度。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。