专利名称：一种自主搜寻声源的机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自动检测及机器人技术，具体为一种可应用于实际 室内环境下具有立体双耳声觉传感器阵列的自主搜寻声源的机器人，国际专
利分类号拟为Int.Cl.G01D 21/02 (2006.01)。
背景技术：
随着各国对国家安全、社会治安等公共事业的高度重视，以防暴、反恐、 消防灭火、排险救援等为特征的危险作业移动机器人的需求日益凸现。在工 业上，各种危险化学反应釜、危险品储罐及其管道的检测与维修机器人的需 求日益高涨，尤其是在石化行业，随着我国石化工业的发展，各类化学反应 容器和输送管道的泄漏检测与修补已成为石化工业避免事故的关键技术，但 目前存在的突出问题是如何实现移动机器人对可疑物品的准确判断。在特殊 环境中搜寻并跟踪特定目标、获取与所跟踪目标的准确距离、判断声源方向 同时进行声音的识别以及为打击武器进行自动瞄准等工作就显得很重要，对 于保障人民生命财产安全，促进经济社会的和谐发展具有重大现实意义。
声源跟踪、定位与移动机器人技术相结合，通过使用移动机器人来发现、 跟踪确定声源位置并识别声音，这种主动或自主搜寻可以有效地弥补传统方 法(如固定传感器网络法、专业人员或经过训练的动物到泄漏源现场査找等) 存在的缺点。 一方面，由于移动机器人的运动性，它相当于组成一个移动传 感器网络，相比固定传感器可以覆盖更大的范围且运动灵活；另一方面，机 器人可被快速开发，维护费用低，且可长时间工作，也不存在人身危险和注 意力时间有限、易疲劳等问题。移动传感器网络在声源探测的过程中起着举 足轻重的作用。
声觉传感器(以下简称传声器)能以各种不同的方式组合为阵列。传声 器阵列可以加强不同方向的信号。由于传声器的各种加权求和相当于以不同 的方式处理相同的数据，多个方向上的信号源就可以同时被提取，因此传声 器阵列可以克服单一传声器在接收和处理空间信号方面的局限性，具有良好 的性能。传声器阵列形式主要有线阵、面阵、立体阵。每一种传声器阵列都
有其独到的一面。现有传声器阵列存在的问题是线阵由于其轴对称性，在 定位时可能会造成空间模糊；面阵可以在整个平面对目标进行定位，也可以 对阵列所在平面为界的半个空间进行定位；立体阵可以对整个空间进行定位， 但它们的阵列数量多，算法要复杂的多，运算量较大；另外，现有的传声器 阵列与机器人结合的较少，并且具有很大的局限性，例如，YukiTAMAI等人 (Yuki TAMAI等，基于128个传声器组成阵列的实时2维声源定位，IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication会议论 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)提出一种用128个传声器组成 的阵列进行声源定位的方法，其传声器数量太多，结构复杂，用在机器人的 头部既不实际，也没必要；又例如，K.Nakadai等人(K. Nakadai等，基于机 器人听觉的声源定位和区别，/wtem加'o"a/ Con/ew"ce ow Spofen 丄朋gwflge尸racasw"g^议论文集，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，基于双耳模型的三维声 源定位系统的发展，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 种用两个传声器作为机器人的左右耳的声源定位的方法，其传声器的数量又 太少，并且两个传声器组成的线阵不能进行声源的空间定位，不能满足实际 需要。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是，提出了一种自 主搜寻声源的机器人，该机器人具有立体双耳传声器阵列，可以主动进行声源 的空间定位和自动跟踪，且结构简单，计算量较少，有利于实际应用。
本实用新型解决所述技术问题的技术方案是设计一种自主搜寻声源的 机器人，它包括具有拟人头部的移动机器人和传声器阵列，移动机器人内装 PC机，其特征在于所述的传声器阵列由4个传声器组成，分别布装在机器人 拟人头部外廓圆的最大内接正方形的四个顶点位置上，且移动机器人拟人头
部的两侧各2个传声器，分别为移动机器人的左右耳，构成立体双耳传声器
阵列，所述的传声器通过4路声卡与移动机器人内装的PC机相连；所述移动
机器人的拟人头部可以左右转动180度。
与现有技术相比，本实用新型的自主搜寻声源的机器人具有如下优点
1. 性能优良。本实用新型机器人，特别把传声器阵列拟人化，作为机 器人拟人头部的左右耳朵，不仅可自主搜寻声源的位置，而且可以利用移动 的机器人本体进行声源的自动跟踪。
2. 结构简单。本实用新型仅采用4个传声器组成的阵列，即可以进行
声源的空间定位，结构简单，且计算量不大，适用于定位的实时实现。
3. 灵活性大。相比固定传感器网络法确定声源位置，本实用新型由于
机器人的移动性，相当于组成一个移动传感器网络，因此搜索的灵活性更大。
图1为本实用新型自主搜寻声源机器人具有的立体双耳传声器阵列在移 动机器人拟人头部一种安装实施例的结构示意图。
图2为本实用新型自主搜寻声源机器人具有的立体双耳传声器阵列与声 源位置关系坐标系图。
图3为本实用新型自主搜寻声源机器人具有的立体双耳传声器阵列一种 实施例的声源搜索定位原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细叙述本实用新型。实施例是以本实用新型 技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本实用新型 权利要求的保护范围不限于下述的实施例。
本实用新型设计的自主搜寻声源机器人(以下简称机器人，参见图1 、 3)， 它包括具有拟人头部的移动机器人和传声器阵列，移动机器人内装PC机，其 特征在于所述的传声器阵列由4个传声器(即M,-M》组成，分别布装在移动
机器人拟人头部外廓圆(垂直面)的最大内接正方形的四个顶点位置上(即
各传声器之间的距离相等)，且移动机器人拟人头部的左右两侧各2个传声 器，分别为移动机器人的左右耳，构成立体双耳传声器阵列(简称传声器阵
列或阵列)，所述的传声器通过4路声卡和移动机器人内的PC机相连；所述
移动机器人的拟人头部可以左右转动180度(即可以作360度转动搜寻)。
研究表明，由n个传声器组成的阵列可以得到n-l个时延，因此确定空 间中的目标位置至少需要4个传声器。所以本实用新型选定由4个传声器组 成的平面阵作为声源的定位阵列。这样既可以达到要求，完成任务，计算量 也不是很大，对于实现实时的定位有很大的帮助。
考虑到移动机器人的实时性和计算量的要求，本实用新型实施例采用了 基于时延的定位方法。定位的关键步骤分为2步时延估计和定位。
本实用新型机器人的传声器阵列结构简单，计算量也不是很大，又能完 成对空间声源的定位，对于实现实时的声源定位具有很大的益处。本实用新 型建立了传感器阵列和声源的位置关系坐标系(参见图2)。在图2中，S为 声源，M,-M4表示传声器，9代表方位角，CD代表仰角，L代表传声器阵列的正 方形边长。经计算可分别得到如下三个参数的表达式
<formula>formula see original document page 6</formula>
公式(3)中的R表示声源和传声器阵列中心的距离，C为声速。~表示 本实用新型传声器阵列中任意两个传声器之间的时间延迟(如^表示传声器 M4和M,之间的时间延迟)。从上述公式中可以看出只要把传声器M,和传声器 M2 Ma分别组成三个传声器对并求得M2 M^相对于传声器VL的时间延迟就 可以得到声源的位置。
本实用新型机器人的工作原理是(参见图3):移动机器人利用其双耳 传声器阵列进行声源定位。声源到任意两个传声器的距离不--样，因此到达
时间也不一样，到达该两个传声器的时间就会有一个时间延迟。本实用新型 的定位就是基于这样的原理来实现的。实际应用中，传声器可接受工作空间 中的声音信号并进行相应的处理。上述三个传声器对中任意一对传声器(即
传声器M,和Mj组成的传声器对.Mj为传声器M2 J/U中任意一个)，如果没有 检测到声音信号，就把环境噪声信号记录下来，并求得两路噪声信号的互功 率谱；当检测到声音信号时，声音信号经过一系列的预处理(包括采样、滤 波、端点检测、分帧、加窗、预加重，快速傅立叶变换)求得两路声音信号 的互功率谱，并在其中减去原来环境噪声的互功率谱，这样可以得到明显的 声音信号信息。实际应用中，左右耳每对传声器(传声器M,、 M2为机器人的 右耳传声器对，传声器M3、 M^为机器人的左耳传声器对)可接受工作空间中 的声音信号，但声源到传声器Mr仏中的任意两个传声器(例如传声器M2和传 声器MJ的距离不一样，因此到达时间也不一样，到达该两个传声器的时间 就会有一个时间延迟。初步去掉噪声的两信号之间的互功率谱在频域内给予 一定的加权(频域加权)，并对信号和噪声进行白化处理，增强信号中信噪 比较高的频率成分，从而进一步抑制噪声的影响，再经过反傅立叶变化(IFFT) 转换到时域，得到两信号之间的广义互相关函数，广义互相关函数峰值对应 两传声器间的时延，对广义互相关函数峰值检测求得时间延迟。得到每个传 声器对的时间延迟数据后，代入到上述通过几何模型定位法得到的三个位置 参数公式((1) — (3))中，就可以得到目标声源的位置。硬件的实现过 程采集到的声音信号通过与传声器连接的声卡传递给机器人内的PC机，PC 机通过依据上述算法编写的程序对采集到的声音信号进行处理。计算出目标 声源的位置后，声源的位置信息会发送给机器人的控制系统，控制系统得到 定位结果后，利用所配装的PMAC卡和伺服电机可以控制移动机器人(本体) 进行声源的自动跟踪。
针对不同的实际应用环境的地面状况，本实用新型实施例的移动机器人 可采用轮式、履带式或轮履复合式移动机器人。机器人的运动控制由PMAC运 动控制卡和伺服电动机完成。
所述的自主搜寻声源是指使用移动机器人，以自主(非遥控)的方式来 发现、跟踪声源线索并确定声源位置的过程。本实用新型机器人可用于石化 泄漏检测、大型工厂的仓库保安、公共安全的危险源探测等方面。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
权利要求1. 一种自主搜寻声源的机器人，它包括具有拟人头部的移动机器人和传声器阵列，移动机器人内装PC机，其特征在于所述的传声器阵列由4个传声器组成，分别布装在机器人拟人头部外廓圆的最大内接正方形的四个顶点位置上，且移动机器人拟人头部的两侧各2个传声器，分别为移动机器人的左右耳，构成立体双耳传声器阵列；所述的传声器通过4路声卡与移动机器人内装的PC机相连；所述移动机器人的拟人头部可以左右转动180度。
专利摘要本实用新型涉及一种自主搜寻声源的机器人，它包括具有拟人头部的移动机器人和传声器阵列，移动机器人内装PC机，其特征在于所述的传声器阵列由4个传声器组成，分别布装在机器人拟人头部外廓圆的最大内接正方形的四个顶点位置上，且移动机器人拟人头部的两侧各2个传声器，分别为移动机器人的左右耳，构成立体双耳传声器阵列，所述的传声器通过4路声卡与移动机器人内装的PC机相连；所述移动机器人的拟人头部可以左右转动180度。
文档编号G01S5/18GK201210187SQ20082007501
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者吕晓玲, 张明路 申请人:河北工业大学