CN104460684A - 一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人，包括四轴飞行器与远程地面站，四轴飞行器的中心机体设置了波形获取层、飞行控制层和图像获取层，所述波形获取层上设置了隔板1、旋转平台、连接平台1和激光远距离声音获取装置，所述激光远距离声音获取装置由激光发射装置与激光接收装置组成，其中激光发射装置通过连接平台1与旋转平台连接；连接平台2与高精度红外摄像机组成图像获取层，飞行控制层与远程地面站组合负责远程控制，波形获取层与远程地面站组合负责远距离声音获取，图像获取层与远程地面站组合负责导航与辅助调整。本发明利用远程无线控制技术与激光远距离声音获取装置，配合高精度红外摄像机与GPS定位系统实现对目标位置的精确定位，并且能够将激光远距离声音获取装置移动至远距离捕获目标声音的位置，从而实现远程控制下的远距离声音获取，并且提高了人员的安全性，保持了现场的完整。

Description

一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人

技术领域

   本发明涉及光学与声学领域，尤其涉及一种基于四轴飞行器的用于远距离声音信号获取的飞行机器人。 

背景技术

    声音信号是一维信号研究的重要对象，而远距离声音信号获取技术凭借其非接近性的特点，有着非常广泛的应用领域，是声学研究中一个重要的分支。例如在自然科学研究中，野外对各种动物的声音录制；生物动态音响的研究；含有爆炸、毒气和强腐蚀等各种危险因素的人类不宜接近的环境中的声音获取；在影剧拍摄、声乐现场录制等场合，要求图像中不可出现录音器，增强现场感。因而对远距离声音获取的研究很是必要。

   目前远距离获取声音的方法极少，且存在很多限制因素。目前应用较为广泛的方法有以下几种。

    (1)抛物线麦克风：抛物线麦克风主要是利用抛物线聚焦的原理，将特定方向的声音聚焦到焦点处，通过信号放大后还原声音信号，接收性能较好，适合空旷地形使用，但是体积较为庞大，携带不方便。

   (2) 变焦麦克风：变焦麦克风具有变焦能力，可以随时改变指向性，突出特定的声音，操作灵活，但体积庞大。

    (3) 压差式传声器：压差传声器通常有2个入声口。其振膜两面都暴露在声场中，相对于点声源而言因为振膜前后相对的等效距离之故使声波传至振膜两面的距离不相同，故而产生压差。振膜振动时，振动位移大小与振膜两面的压差有关，此类传声器拾取功率较低。

    (4)声干涉枪式超指向性传声器：声干涉枪式超指向性传声器指向性极强，对特定目标有很好的声音获取效果。但是对使用环境有较高的要求，且自身尺寸相当长，稳定性较差。

    以上四种获取方法，由于使用传统的声音聚焦技术，所以存在远距离声音信号的高频损失，皆无法达到足够远的声音获取距离，并且随着捕获的距离增加，装置的尺寸增大严重，携带不方便，严重制约了该方面的发展。

    四轴飞行器是多旋翼飞行器中最常见的一种，依靠着四个呈十字型布局的螺旋桨，结构紧凑，体积小，维护和更换的花销小，并且运动性能好，抗风能力强，适合在狭小的空间或城市、野外等复杂环境中使用，灵活轻巧。

    综上所述，研究快速布置的远距离声音获取技术，可以有效解决当前的声音获取距离不足与布置不方便的问题，具有重大意义。

发明内容

    有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人，利用具有极其灵活并且飞行稳定性超强的四轴飞行器作为基本的设备装载载具，通过远程控制技术，将带有高精度红外摄像机与激光远距离声音获取装置的四轴飞行器移动至需要进行声音获取的地点，实现非现场式远距离声音信号捕获。

    本发明的目的是通过以下技术方案来实现的: 一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人，包括四轴飞行器与远程地面站，所述四轴飞行器包括轴翼系统、中心机体、飞行控制系统。所述轴翼系统固定安装在中心机体的四个轴的末端，由四对螺旋桨、四对无刷同轴电机和4个支撑臂组成；所述螺旋桨包括正桨和反桨，正桨与反桨分别成对角关系。

  所述中心机体由波形获取层、飞行控制层、图像获取层三层组成，所述飞行控制层处于波形获取层和图像获取层中间，所述飞行控制系统搭载在飞行控制层上，所述图像获取层包括高精度红外摄像机与连接平台2，所述连接平台2由两个相互垂直交错的直流电机、锁紧臂、支撑薄壁组成，所述高精度红外摄像机设置在连接平台2上，可随连接平台2旋转，用于航拍导航、辅助激光远距离声音获取装置对红外激光反射点的定位以及记录周围环境，并能定位于任意角度，极大地提高了拍摄的灵活性。

  所述飞行控制系统由微处理器控制系统、机载无线数据传输系统、姿态输入系统、GPS定位系统、电源电路、电源指示装置及紧急避障系统组成。

   所述图像获取层通过隔板2与轴翼系统连接，其特征在于：所述波形获取层包括激光远距离声音获取装置、连接平台1、旋转平台和隔板1，所述激光远距离声音获取装置由激光发射装置与激光接收装置组成，所述激光发射装置设置在连接平台1上，用于发射源激光。所述激光接收装置设置在旋转平台上，用于获取反射的红外激光上被调制的声音信号；所述连接平台1设置在旋转平台上，并与连接平台2有着相同的构造和相同的功能，所述旋转平台设置在隔板上，并且底部设置有直流电机，旋转平台可绕垂直于隔板的轴线做360°旋转，并能定位于任意角度，无最小旋转角度限制。

   所述机载无线数据传输系统包括飞行遥控装置、机身状态发送装置、图像数据发送装置和波形数据发送装置。

    所述姿态输入系统包括陀螺仪、加速度计、角度传感器、地磁传感器和高度传感器。

    所述紧急避障系统包括红外避障模块和急停电路，用于防止错误操作导致机身过度损坏。

    所述远程地面站由地面无线数据传输系统、数据处理系统、数据存储系统、数据输出系统和遥控系统组成。

    进一步，所述地面无线数据传输系统由机身状态接收装置、图像数据接收装置和波形数据接收装置组成。

    本发明的效果在于，通过使用安装在四轴飞行器上的GPS导航系统，可以使四轴飞行器精确地导航到需要远距离获取声音信号的位置；在导航过程中通过高精度红外摄像机得到的图像数据，可以使四轴飞行器定位更精确，尤其是在光线条件较差的环境下；通过远距离激光声音获取装置与无线传输系统，利用计算机高速处理性能以及高带宽无线远程传输技术，对图像、声音获取装置进行远程调节且利用高精度红外摄像机辅助调节，并对所需图像以及波形信号进行获取、传输、处理、存储和输出，在不需要近距离接近声源区域并且不需要人为携带装置的情况下，实现准确快捷的声音获取，极大地提高了声音获取的效率，降低了劳动强度，保持了声音获取现场的完整，提高了声音获取时的安全性，有利于对危险区域和对外界干扰灵敏的系统等的声音信息获取。 

附图说明

    为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进

一步的详细描述，其中。

    图1是用于远距离声音信号获取机器人的四轴飞行器的结构示意图。

    图2是用于远距离声音信号获取机器人的波形获取层布置示意图。

    图3是用于远距离声音信号获取机器人的飞行控制层布置示意图。

    图4是用于远距离声音信号获取机器人的图像获取层布置示意图。

    图5是用于远距离声音信号获取机器人的连接平台示意图。

    图6为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的四轴飞行器控制整体示意图。

    图7为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的地面站整体示意图。

图8为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的四轴飞行器程序控制流程图。

    图9为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的远程地面站程序控制流程图。

具体实施方式

    下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

    如图1所示，本发明是用于远距离声音信号获取的飞行机器人，包括四轴飞行器，四轴飞行器包括中心机体1，四组支撑臂2，四组螺旋桨3和四对无刷同轴电机。四对无刷同轴电机4通过支撑臂2与中心机体1连接，四组螺旋桨3分别设置在四对无刷同轴电机4上，四组支撑臂2均布在中心机体1四周，且位于同一平面。

    在本实施例中，中心机体按照从上至下的顺序，分为3层空间，其中，上层为波形获取层，用于获取外界声音；中层称为飞行控制层，用于实现对整个四轴飞行器的控制，其处于飞行器的核心地位；下层称为图像获取层，用于获取外界图像，利于四轴飞行器的平稳降落和对周围环境的观察，层与层之间有相互连通的通道，便于三者之间信息交流和数据传输。

    如图2所示，本实施例中，波形获取层主要由隔板9，旋转平台7，连接平台8，激光远距离声音获取装置5,6构成。其中，激光远距离声音获取装置是波形获取层的核心，其主要由激光发射和激光接收装置组成，旋转平台通过一个小电机（图中未标出）与隔板9连接，旋转平台可随直流电机主轴一同旋转，旋转平台上搭载激光发射装置6和激光接收装置5，激光发射装置6通过连接平台8与旋转平台连接，从而可实现多个方向的360度旋转。

    如图3所示，飞行控制层用于搭载飞行控制系统，飞行控制系统包含以下部分：微处理器控制系统，机载无线数据传输系统，姿态输入系统，GPS定位系统，电源电路，电源指示装置，紧急避障系统，紧急避障系统由红外避障模块和急停电路构成。飞行控制层是整个四轴飞行器的核心部位，该图示意飞行控制系统各单元的布局情况。

    如图4所示，在本实施例中，图像获取层由两部分组成，连接平台14，红外高精度摄像机13。红外高精度摄像机和连接平台连接，由此，红外高精度摄像机可以实现在某平面内360度旋转并在与该平面垂直的平面内180度旋转，并可以在任意角度定位，便于图像获取。由此搭载的红外高精度摄像头具有高度灵活性。

   如图5所示，在本实施例中，连接平台主要由4部分组成，电机15，电机16，锁紧臂18，支撑薄壁17。该装置具有高度的灵活性，电机15固结在某平面上，该电机主轴可以绕垂直于该平面的轴做旋转运动，电机16与电机15的主轴相连接，电机16可以在平行于该平面的平面内做360度旋转。电机16的主轴可以在相应平面内做360度旋转，电机16的轴上固定着锁紧臂，锁紧臂18与支撑薄壁17固连在一起，因此支撑薄壁可绕电机16的轴做旋转运动，旋转角度可达到-180°到+180°。支撑薄壁具有更多的自由度，更加灵活，能到达的空间范围就越大。激光发射装置搭载在支撑薄壁17上，激光发射装置将具有更多的自由度，它所能到达的范围就越广，能够观察的范围就越广。在实际的使用过程中，激光发射装置与激光接收装置必须具有一定的对应关系才能使激光发射装置发射出去的激光能够被激光接收装置所接收，激光发射越远，能够激光接收装置接收的可能性就相对降低，要想使激光接收装置能够接收到激光发生装置发射出去的激光只能通过调节激光发射装置与接收装置之间的相对位置，在本发明中将激光发射装置搭载在支撑薄壁上使激光发射装置具有更宽的调节范围，通过相应的算法处理，调节激光发射装置与激光接收装置的角度，便能使发出去的激光被接收装置所接收，从而实现对远距离声音的获取。

    图6为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的四轴飞行器控制系统整体示意图。图6中用于远距离声音信号获取的飞行机器人的四轴飞行器控制系统由微处理器控制系统、电源电路、电源指示装置、机载无线数据传输系统、波形图像获取系统、姿态输入系统、紧急避障系统、轴翼系统和GPS定位系统组成。其中微处理器控制系统包括电机控制、高精度红外摄像机控制和激光远距离声音获取装置的控制单元，实现远程的控制与调节。

    电机控制对四对无刷同轴电机进行控制，根据姿态输入系统获取四轴飞行器当前状态信息，利用最优自动控制算法进行运算后，得到四个电机对应的脉冲占空比，实现飞行机器人的动力控制。

    激光远距离声音获取装置的控制单元对激光发射装置所在连接平台8的多个电机进行控制，激光发射装置根据高精度红外摄像头捕获的反射红外激光所在的方位后，可以提供两种控制调节方式，一是根据最优控制理论，对捕获点光源进行跟踪定位算出中心偏移量后进行回归调节，得出最优发射旋转角与最优发射俯仰角以及最优接收角，以达到正常声音捕获功能；二是将高精度红外摄像机拍摄图像传回至远程地面站，对图像进行修补处理后，在地面显示装置上进行显示，人为观察反射点后对电机进行手动调节，直到能正常捕获声音信号。

    这里需要说明的是，由于对需要捕获的声音信号进行远距离获取，轻微的角度偏差即会在距离方面产生极大的偏差，步进电机本质上是倚靠脉冲通电后产生的定子电磁差异，使得转子旋转一定角度，一般步进电机步进角较大，通过距离放大后产生极大误差，而又由于步进角越小，步进电机制作越复杂，体积重量越大，成本也将大幅升高。为弥补这个不足，可以采用直流电机进行最优控制，不存在步进角所产生的大区域的盲区。

    高精度红外摄像机控制的控制单元对高精度红外摄像机所在连接平台2的多个电机和旋转平台的电机进行控制，在飞行当中，该处调节只能用于导航与航拍，在调节激光远距离声音获取装置时，调节该处将用于辅助定位，在能正常获取声音信号后，调节该处将利于观察周围环境。

    机载无线数据传输系统由飞行遥控装置、机身状态发送装置、图像数据发送装置和波形数据发送装置。

    飞行遥控装置针对于四轴飞行器飞行方向和速度，与远程地面站的遥控系统配合进行控制；机身状态发送装置与地面无线数据传输系统的机身状态接收装置配合，将当前飞行高度、角度、地磁信息等发送只远程地面站，利于远程地面站控制人员的控制分析；图像数据发送装置与图像数据接收装置配合，用于发送当前图像信息，利于远程地面站控制人员的观察；波形数据发送装置与波形数据接收装置配合，用于发送当前捕获的波形信号，以达到地面站语音还原的效果。

    紧急避障系统用于防止错误操作导致机身过度损坏，初试飞行前需要先设定红外避障模块阈值，在飞行过程中障碍物距离低于阈值时飞行器将向远程地面站会发出警告信号，并停止往靠近障碍物方向行进。当四轴飞行器控制失灵时，急停电路将会启动，关闭四轴电机，防止旋翼在旋转状态击中物体，提高损伤程度；高精度红外摄像头与激光远距离声音捕获装置将会往连接平台收缩，防止镜头撞击损坏。 

    图7为用于远距离声音信号获取的飞行机器人的地面站整体示意图。地面无线传输系统接收四轴飞行器发送的波形信号、图像与机身状态，波形信号与图像经过数据处理系统后进入数据存储系统进行存储操作，便于数据的管理与回放，同时进入到数据输出系统播放处理还原后的声音信号与图像，并且远程地面站的操作员可根据接收回来的信号进行下一步操作。

    这里需要说明的是，从使用激光远距离声音获取装置得到最初波形的模拟信号到最终远程地面站进行的声音还原，需要经过以下步骤。

a)放大：对激光接收装置接收的波形进行小幅放大，稳定信号。

    b)采样：为不产生失真，采样频率不低于声音信号最高频率的两倍，语音信号的采样频率一般设为8kHz，如果是音乐信号则需要40kHz以上。

    c)量化：把在幅度上连续取值的每个样本转换为离散值表示。

    d)发送：将量化后的值发送至远程地面站。

    e)滤波：消去无用信号。

    f)放大：对信号进行放大保真。

    g)编码保存：选择某一种或者几种方法对它进行数据压缩,以减少数据量,再按照某种规定的格式将数据组织成为文件，并保存。

    h)播放：在数据输出系统中进行播放。

    四轴飞行器程序控制流程图如图8所示。包括步骤。

    步骤一，打开飞行器开关，远程地面站输入密钥获取飞行器使用权限。

    步骤二，四轴飞行器自动检测机身性能。

    步骤三，开始传回图像数据，并且控制权限登录完成，开始在线控制。

    步骤四，等待确定降落点。

    步骤五，开始导航降落到所选择的降落点。

    步骤六，通过控制四对无刷同轴电机自动调整机身至平衡状态。

    步骤七，判断是否处于平稳状态，若是则继续，若否则重复步骤六。

    步骤八，开启波形获取系统。

    步骤九，使用高精度红外摄像机辅助调整旋转平台与激光发射器角度。

    步骤十，判断波形获取是否正常，若是则继续，否则重复步骤九。

    步骤十一，利用无线传回获取的波形信号，并可以调整高精度红外摄像机观察环境。

    步骤十二，判断波形是否获取完成，是则继续，否则重复步骤十一。

    步骤十三，关闭波形传输功能。

    步骤十四，控制飞行器返航。

    远程地面站程序控制流程图如图9所示。包括步骤。

    步骤一，向已开启的四轴飞行器输入密钥，直到获得控制权限。

    步骤二，开始在线控制四轴飞行器。

    步骤三，开始对四轴飞行器发送的图像数据进行处理。

    步骤四，根据返回的数据与图像，确定合适的降落点。

    步骤五，导航降落到目标点。

    步骤六，开始调整机身到平稳的状态。

    步骤七，发送已确定平稳的指令，使四轴飞行器进入下一状态。

    步骤八，调节波形获取装置到正常获取的状态。

    步骤九，发送获取正常的指令，命令四轴飞行器进入下一状态。

    步骤十，开始对无线传回的数据进行处理。

    步骤十一，判断时候获取完成，若是则继续，若否则继续获取波形。

    步骤十二，向四轴飞行器发送获取完成指令。

    步骤十三，停止波形信号的接收。

    步骤十四，控制飞行器返航。

    以上所述，仅为本发明比较好的具体实施方式，但发明内容的保护范围并不是仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的等价变化或者替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用于远距离声音信号获取的飞行机器人，包括四轴飞行器与远程地面站，所述四轴飞行器包括轴翼系统、中心机体、飞行控制系统。所述轴翼系统固定安装在中心机体的四个轴的末端，由4对螺旋桨、4对无刷同轴电机和4个支撑臂组成；所述螺旋桨包括正桨和反桨，正桨与反桨分别成对角关系。所述中心机体由波形获取层、飞行控制层、图像获取层三层组成，所述飞行控制层处于波形获取层和图像获取层中间，所述飞行控制系统搭载在飞行控制层上。所述飞行控制系统由微处理器控制系统、机载无线数据传输系统、姿态输入系统、GPS定位系统、电源电路、电源指示装置及紧急避障系统组成。所述图像获取层通过隔板2与轴翼系统连接。所述机载无线数据传输系统包括飞行遥控装置、机身状态发送装置、图像数据发送装置和波形数据发送装置。所述姿态输入系统包括陀螺仪、加速度计、角度传感器、地磁传感器和高度传感器。所述远程地面站由地面无线数据传输系统、数据处理系统、数据存储系统、数据输出系统和遥控系统组成。所述地面无线数据传输系统由机身状态接收装置、图像数据接收装置和波形数据接收装置组成。

2.根据权利要求1所述的用于远距离声音信号获取的飞行机器人，其特征在于：所述图像获取层包括高精度红外摄像机与连接平台2。

3.根据权利要求2所述的用于远距离声音信号获取的飞行机器人，其特征在于：所述连接平台2由两个相互垂直交错的直流电机、锁紧臂、支撑薄壁组成，所述高精度红外摄像机设置在连接平台2上，可随连接平台2旋转，用于航拍导航、辅助红外激光反射点的定位以及记录周围环境，并能定位于任意角度，极大地提高了拍摄的灵活性。

4.根据权利要求1所述的用于远距离声音信号获取的飞行机器人，其特征在于：所述波形获取层包括激光远距离声音获取装置、连接平台1、旋转平台和隔板1。

5.根据权利要求4所述的用于远距离声音信号获取的飞行机器人，其特征在于：所述激光远距离声音获取装置由激光发射装置与激光接收装置组成，所述激光发射装置设置在连接平台1上。所述激光接收装置设置在旋转平台上；所述连接平台1设置在旋转平台上,所述旋转平台设置在隔板上，并且底部设置有直流电机，旋转平台可绕垂直于隔板的轴线做360°旋转，并能定位于任意角度，无最小旋转角度限制。

6.根据权利要求1所述的用于远距离声音信号获取的飞行机器人，其特征在于：所述紧急避障系统包括红外避障模块和急停电路。