CN104942810B - 一种智能降噪机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为了提高机器人语音表达清晰度，提供了一种智能降噪机器人，包括存储装置、电源开关、通信模块、发声装置和包括多个检测单元的检测装置，该智能降噪机器人还包括设置于发声装置附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元。本发明提高了该智能降噪机器人在嘈杂环境下的发音清晰度。

Description

一种智能降噪机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种智能降噪机器人。

背景技术

近年来，随着自动化技术、机器人技术、传感器技术以及单片机等技术的快速发展，工业的生产与管理已进入了自动化、信息化与智能化时代，智能化已经成为时代发展的需要。智能监视机器人是近年来机器人应用工程中一项前沿性的题目，基于生产现场和日常生活的实际需要，研究和开发智能监视机器人具有十分重要的意义。数据显示，目前，世界上至少有48个国家在发展机器人，其中25个国家已涉足服务型机器人开发，在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。

服务型机器人属于智能机器人的一种，是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业领域服务机器人和个人/家庭服务机器人，服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

目前的智能机器人已经在智能控制和行走方面取得了长足的发展，但在声音表达方面还没有完善的高质量语音提供方案。

发明内容

本发明为了提高机器人语音表达清晰度，提供了一种智能降噪机器人，包括存储装置、电源开关、通信模块、发声装置和包括多个检测单元的检测装置，该智能降噪机器人还包括设置于发声装置附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。

进一步地，所述的存储装置为SD卡。

进一步地，所述智能降噪机器人还包括太阳能电池，通过所述电源开关控制其两极是否接通。

进一步地，所述检测单元包括红外测距传感器。

进一步地，所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。

进一步地，所述通信模块为WIFI通信模块。

进一步地，所述滤波单元包括至少一个模数转换器和与之对应的数字滤波器。

进一步地，所述噪声采集单元包括多个麦克风，且这些麦克风被分布式地设置。

本发明的有益效果是：提高了该智能降噪机器人在嘈杂环境下的发音清晰度。

附图说明

图1示出了根据本发明的智能降噪机器人的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，智能降噪机器人，包括SD卡、电源开关、通信模块、发声装置和包括多个检测单元的检测装置，电源开关控制智能降噪机器人的开启或关闭状态，所述SD卡内存储了语音信息(例如，故事或特定的语句或单词)，所述发声装置从SD卡内读取语音信息并发出与该语音信息相对应的读音，通信模块通过WIFI、3G/4G、Zigbee网络等无线网络或者USB等有线网络与外部设备交换语音信息，以更新或增加SD卡中的语音信息。所述检测单元包括红外测距传感器，用于检测机器人是否碰到墙壁等障碍物。

该智能降噪机器人还包括设置于发声装置附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，发声装置用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消。

所述智能降噪机器人还包括太阳能电池，通过所述电源开关控制其两极是否接通。

其中，所述噪声采集单元包括多个小型降噪麦克风，且这些麦克风被分布式地设置在待监测位置附近。

所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。包络分析单元首先对输入包络分析单元的噪声信号按照一定时间间隔(例如5ms)进行采样，然后将采样得到的幅值点连线成包络线。得到包络线后，确定极大值之间的间隔是否有重复甚至是规律性的重复，如果存在，则表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音。实际应用过程中，存在重复性的声音一般不被认为是语音信号，因此，可以确定该重复性的声音是应当被消除掉的。若表明被输入包络分析单元的噪声信号存在重复性的声音，则包络分析单元将周期性重复的包络幅值构成的包络线输出到包络处理单元，进行数字化处理等后续处理。否则，包络分析单元输出的信号将直接进入噪声谱生成单元而跳过包络处理单元和第一反相谱生成单元。

当从包络分析单元输出的具有周期性重复特征的包络信号被输入到包络处理单元后，包络处理单元对该输入的信号进行数字化。在该数字化过程中，以包络的重复周期以及极值为二维数据组成二维矩阵。然后，将该数字化的二维矩阵输出到第一反相谱生成单元。该第一反相谱生成单元包括矩阵变换单元和信号生成单元，其中矩阵变换单元对上述二维矩阵进行取反操作，信号生成单元通过例如IFFT根据取反后得到的新的二维矩阵产生时域的波形，该波形在产生过程中量化尺度与上述时间间隔相同(例如5ms)。然后，该时域波形被通过发声装置发送出去，以消除待处理的噪声信号中的周期性重复噪声。在上述包络分析、处理和输出的过程中，采用数字化反相能够确保生成与周期性噪声反相的信号的幅值、周期与原噪声信号中的幅值、周期高精度地相同。这是单纯地利用模拟SOC降噪芯片无法比拟的。

所述噪声谱处理单元包括滤波单元，该滤波单元根据预定的规则滤除经过数字化处理的噪声谱的一部分。根据本发明一个实施例，所述预定的规则是设置该滤波单元为高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器等中的至少一种的参数的方式。例如，对于嘈杂的环境，需要滤除的主要是高通噪声，此时通过该主动式降噪模块中的滤波方式规则选取就可以设置其中的滤波单元为低通滤波器。优选地，该滤波单元少一个模数转换器和与之对应的数字滤波器。这样，输入到噪声谱处理单元的信号首先被转换成数字信号，然后通过IIR数字滤波器、FIR数字滤波器等进行数字滤波。这种将模拟信号转换成数字信号进行处理的方式能够极大地提高对信号的处理精度且避免滤波过程中滤波器本身的干扰以及外界其他因素造成的干扰。

所述发声装置包括多个降噪喇叭，且这些喇叭与所述的麦克风位置一一对应地设置。这些降噪喇叭用于输出第一降噪信号(如果有的话)以及第二降噪信号。

所述噪声分类单元包括存储器、波形特征分析单元以及声音特征比较单元。存储器中预先保存了多个人员各自的声纹及其与相应人员的对应关系，包括但不限于：电梯管理员的声纹和/或楼内保安的声纹。这些声纹可以通过现有技术中的声纹获取装置或声纹库建立装置或方法等获取，并被以文件的形式保存在存储器中。优选地，该文件中的数据被保存为参考声纹矩阵。波形特征分析单元对输入噪声分类单元的信号进行声纹提取，并将提取的结果通过TES算法保存为实际声纹矩阵，将该矩阵输出到声音特征比较单元。声音特征比较单元将实际声纹矩阵与存储器中预先存储的参考声纹矩阵进行比较，根据比较结果确定该被输入的声音中包括哪些存储器中已有的人员的声音。这样，控制单元就可以通过设置噪声分类单元的分类参数，而向存储器中保存、修改或删除人员信息及其对应的声纹信息。

噪声分类单元输出的信号被输入到开关矩阵。开关矩阵包括多个通道，每个通道均包括一个可控制该通道断开或闭合的开关。各个开关的闭合或打开由控制单元控制。这样，就能够通过该开关矩阵选择性地保留实际环境中附近的某些人员发出的声音不被当作是噪声(而不被丢弃)或被当作是噪声(而被丢弃)。这样做的优点在于能够实现在主动消除其他人声的同时而保留某个或某些特定人声不被通过主动降噪而消除。

所述噪声谱生成单元包括FFT计算单元，其根据输入到噪声谱生成单元的时域信号进行FFT运算，得到该输入信号的频谱。

所述第二反相谱生成单元包括反相矩阵生成单元、IFFT计算单元和波形产生器。该第二反相谱生成单元与第一反相谱生成单元的原理和工作过程相类似，只是在该第二反相谱生成单元中，第一反相谱生成单元的矩阵变换单元相当于IFFT计算单元和波形产生器。而在第二反相谱生成单元中，将IFFT计算单元和波形产生器相互分隔开，有助于提高对于复杂频谱信号的处理能力，降低处理过程中波形产生器中的模拟器件带来的干扰。本领域技术人员应当清楚的是，该IFFT计算单元和波形产生器在满足降噪精度要求的前提下可以合二为一，采用第一反相谱生成单元中的矩阵变换单元。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种智能降噪机器人，包括存储装置、电源开关、通信模块、发声装置和多个检测单元的检测装置，其特征在于，该智能降噪机器人还包括设置于发声装置附近的主动式降噪模块，所述主动式降噪模块包括控制单元、噪声采集单元、噪声分类单元、开关矩阵、包络分析单元、包络处理单元、第一反相谱生成单元、噪声谱生成单元、噪声谱处理单元、第二反相谱生成单元、降噪输出单元，所述控制单元控制开关矩阵中的各个开关的闭合或打开并控制其他所述单元的参数设置，所述噪声采集单元采集噪声信号，噪声分类单元对所述噪声信号按照预定规则进行分类，开关矩阵用于选择被分类后的噪声信号的输出与否，噪声谱生成单元用于对开关矩阵输出的噪声信号生成噪声谱，噪声谱处理单元用于对噪声谱进行数字化处理，第二反相谱生成单元根据噪声谱处理单元的输出产生第二降噪信号，降噪输出单元用于将第二降噪信号发射出去，与噪声信号进行叠加抵消；所述包络分析单元用于分析开关矩阵输出的信号的包络是否具有重复性并将其中具有重复性包络的信号输出，所述包络处理单元用于根据包络分析单元的输出进行数字化，所述第一反相谱生成单元根据数字化后的信号产生第一降噪信号。

2.根据权利要求1所述的智能降噪机器人，其特征在于，所述的存储装置为SD卡。

3.根据权利要求1所述的智能降噪机器人，其特征在于，所述智能降噪机器人还包括太阳能电池，通过所述电源开关控制其两极是否接通。

4.根据权利要求3所述的智能降噪机器人，其特征在于，所述检测单元包括红外测距传感器。

5.根据权利要求1所述的智能降噪机器人，其特征在于，所述通信模块为WIFI通信模块。

6.根据权利要求1所述的智能降噪机器人，其特征在于，所述噪声采集单元包括多个麦克风，且这些麦克风被分布式地设置。