CN105538311A - 一种智能机器人寻声定位的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能机器人寻声定位的方法和系统，包括以下步骤：智能机器人通过多个传感器获取交流对象的声音；通过定位函数确定交流对象的位置；根据确定的交流对象的位置，调整智能机器人的正面方向，使得智能机器人的正面对准交流对象。本发明的方案，利用声音到达不同传感器的时间差，计算声源的位置，从而确定交流对象的位置，通过转动智能机器人使其正面方向对准交流对象的位置。由此在机器人与人进行沟通的过程中，提高了人机交互的体验性，使得交流对象具有面对面友好交流的感觉。

Description

一种智能机器人寻声定位的方法和系统

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，具体地，涉及智能机器人寻声定位的方法和系统。

背景技术

随着智能化时代的到来，机器人已经越来越走进人们的生活，生活中的服务机器人应用领域越来越广，我们的社会即将进入智能机器人的时代。例如，常见的服务机器人有送餐机器人、聊天机器人、导购机器人等等。这些机器人都需要与人进行互动交流。在机器人与人进行沟通的过程中，为了提高人机交互的体验性，需要机器人能够识别出交流的对象，并且判断该对象所处的位置，从而进行面对面友好地交流。因此，如何让机器人与交流对象之间充分友好地交流成为机器人领域一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，在智能机器人与人进行沟通的过程中提高人机交互的体验性，是的智能机器人能够与人进行面对面友好地交流，本发明提供一种智能机器人寻声定位的方法，包括以下步骤：智能机器人通过多个传感器获取交流对象的声音；通过定位函数确定交流对象的位置；根据确定的交流对象的位置，调整智能机器人的正面方向，使得智能机器人的正面对准交流对象。

可选地，所述传感器为3个以上。通过3个以上的传感器就能够利用声源发出的声音到达传感器的时间差，为声源进行精确定位。

优选地，所述传感器为4个，设置成正方形阵，每个传感器位于正方形阵的角上。所述正方形阵的边长为2L，第一传感器的位置坐标为(-L，-L)，第二传感器的位置坐标为(L，-L)，第三传感器的位置坐标为(L，L)，第四传感器的位置坐标为(-L，L)。

优选地，交流对象的位置(x，y)可由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中，Δt1，Δt2，Δt3分别为第二传感器、第三传感器，第四传感器相对于第一传感器的时差，c是传播速度。

进一步地，通过多个传感器确定智能机器人的正面方向。优选地，所述智能机器人的正面方向是预先设定的，例如穿过坐标系的原点。例如，将第一传感器和第二传感器之间的中点以及第三传感器和第四传感器之间的中点连线的方向确定为智能机器人的正面方向，也就是坐标系的Y轴方向。

根据本发明的另一方面，提供一种智能机器人寻声定位系统，包括：多个传感器，用于获取交流对象的声音；定位模块，利用定位函数确定交流对象的位置，计算交流对象的位置与智能机器人正面方向的矢量方向；驱动装置，与所述定位模块连接，根据定位模块发出的信号转动智能机器人，使得智能机器人正面方向指向交流对象。

优选地，传感器为拾音器，用于接收声音信号。

进一步地，所述传感器为4个，设置成正方形阵，每个传感器位于正方形阵的角上；所述正方形阵的边长为2L，第一传感器的位置坐标为(-L，-L)，第二传感器的位置坐标为(L，-L)，第三传感器的位置坐标为(L，L)，第四传感器的位置坐标为(-L，L)。

进一步地，交流对象的位置(x，y)可由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中，Δt1，Δt2，Δt3分别为第二传感器、第三传感器，第四传感器相对于第一传感器的时差，c是传播速度。

本发明的方案，利用声音到达不同传感器的时间差，计算声源的位置，从而确定交流对象的位置，通过转动智能机器人使其正面方向对准交流对象的位置。由此在机器人与人进行沟通的过程中，提高了人机交互的体验性，使得交流对象具有面对面友好交流的感觉。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是根据本发明一种实施方式的智能机器人寻声定位的方法的流程图。

图2是根据本发明一种实施方式的智能机器人寻声定位的示意图；

图3是根据本发明一种实施方式的智能机器人寻声定位后转动的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

参照图1，详细描述本发明的智能机器人寻声定位的方法。如图1所示，本公开提出了一种智能机器人寻声定位的方法，包括以下步骤：智能机器人通过多个传感器获取交流对象的声音；通过声音定位函数确定交流对象的位置；根据确定的交流对象的位置，调整智能机器人的正面方向，使得智能机器人的正面对准交流对象。

此外，智能机器人在获取交流对象的声音之后，首先判断交流对象是否在与该智能机器人交流。例如，通过接收声音转成文字，判断交流对象是否在叫该智能机器人的名字，或者进行语义分析，判断就流对象是否在呼叫机器人，在周围没有其他机器人的情况下主动应答。

智能机器人通过三个以上的传感器(麦克风)接收交流对象的声音，通过测量声音到达不同传感器的时间差，利用定位函数确定交流对象的位置。

智能机器人预先设置正面的方向，例如垂直于某两个传感器连线中心的方向为正面方向。当确定了交流对象的位置后，将智能机器人的正面方向对准该交流对象，这样交流对象就会有面对面交流的感觉，提高了用户体验。

作为一个实施例，如图2所示，给出了根据本发明一种实施方式的智能机器人寻声定位的示意图。

在本实施例中，传感器阵列采用正方形，传感器1、2、3、4的位置坐标分别为(-L，-L)、(L，-L)、(L，L)，(-L，L)，其中2L为正方阵的边长。则声源位置(x，y)可由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中Δt1，Δt2，Δt3分别为传感器2、传感器3、传感器4相对于传感器1的时差，c是传播速度。

根据声源位置(x，y)，可以知道声源在平面的哪个方向。从而能够计算出与智能机器人正面方向之间的矢量方向。在本实施例中，智能机器人的正面方向是预先设定的，例如穿过坐标系的原点。将第一传感器和第二传感器之间的中点以及第三传感器和第四传感器之间的中点连线的方向确定为智能机器人的正面方向，也就是坐标系的Y轴方向。

智能机器人就朝声源位置(x，y)的方向转动。

本实施例给出了设置4个传感器组成正方形阵的情况，但是本发明的保护范围不限于此。也可以设置其他形状的传感器阵，基于上述原理推导出其他形状的计算方式，都在本发明的保护范围内。

根据本发明另一方面，提出了一种智能机器人寻声定位系统，包括：多个传感器，用于获取交流对象的声音；定位模块，测量声音到达不同传感器的时间差，利用定位函数确定交流对象的位置；计算交流对象的位置与智能机器人正面方向的矢量方向；驱动装置，与定位模块连接，根据定位模块发出的信号转动智能机器人，使得智能机器人正面方向指向交流对象。

下面参照图3描述本发明一种实施方式的智能机器人寻声定位后转动的示意图。

在本实施例中，设置4个传感器，传感器阵列采用正方形。传感器为拾音器，设置在机器人头部顶端，便于接收来自各个方向的声音。

传感器1、2、3、4的位置坐标分别为(-L，-L)、(L，-L)、(L，L)，(-L，L)，其中2L为正方阵的边长。

传感器与定位模块连接，定位模块可以测量声音到达每个传感器的时间，从而计算出到各个达传感器的时间差。本实施例中计算传感器2、传感器3、传感器4相对于传感器1的时差。声源位置(x，y)可由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中Δt1，Δt2，Δt3分别为传感器2、传感器3、传感器4相对于传感器1的时差，c是传播速度。

根据声源位置(x，y)，可以知道声源在平面的哪个方向，从而能够计算出与智能机器人正面方向之间的矢量方向。

在本实施例中，智能机器人的正面方向是预先设定的，例如穿过坐标系的原点。将第一传感器和第二传感器之间的中点以及第三传感器和第四传感器之间的中点连线的方向确定为智能机器人的正面方向，也就是坐标系的Y轴方向。

定位模块与驱动装置连接，向驱动装置发出驱动信号转动智能机器人，智能机器人就朝声源位置(x，y)的方向转动，使得智能机器人正面方向指向交流对象。

当智能机器人的正面方向指向声源位置(x，y)的方向时，定位模块控制驱动装置停止转动。

此外，交流对象可能处于运动状态，此时与智能机器人之间的相对位置是不断变化的。本发明可以设定时间重复执行寻声定位的方法，如果发现交流对象与智能机器人的正面方向存在偏差，则不断地调整智能机器人的正面方向，指向交流对象。

例如，可以设定间隔几秒钟重复执行一次寻声定位的方法，或者每接收到交流对象的声音，就判断一次交流对象的位置，从而进行实时调整。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种智能机器人寻声定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

智能机器人通过多个传感器获取交流对象的声音；

通过定位函数确定交流对象的位置；

根据确定的交流对象的位置，调整智能机器人的正面方向，使得智能机器人的正面对准交流对象。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为3个以上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为4个，设置成正方形阵，每个传感器位于正方形阵的角上。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述正方形阵的边长为2L，第一传感器的位置坐标为(-L，-L)，第二传感器的位置坐标为(L，-L)，第三传感器的位置坐标为(L，L)，第四传感器的位置坐标为(-L，L)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，交流对象的位置(x，y)由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中，Δt1，Δt2，Δt3分别为第二传感器、第三传感器，第四传感器相对于第一传感器的时差，c是传播速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过多个传感器确定智能机器人的正面方向。

7.一种智能机器人寻声定位系统，其特征在于，包括：

多个传感器，用于获取交流对象的声音；

定位模块，利用定位函数确定交流对象的位置，计算交流对象的位置与智能机器人正面方向的矢量方向；

驱动装置，与所述定位模块连接，根据定位模块发出的信号转动智能机器人，使得智能机器人正面方向指向交流对象。

8.根据权利要求7所述的智能机器人寻声定位系统，其特征在于，所述传感器为4个，设置成正方形阵，每个传感器位于正方形阵的角上；

所述正方形阵的边长为2L，第一传感器的位置坐标为(-L，-L)，第二传感器的位置坐标为(L，-L)，第三传感器的位置坐标为(L，L)，第四传感器的位置坐标为(-L，L)。

9.根据权利要求8所述的智能机器人寻声定位系统，其特征在于，交流对象的位置(x，y)由下式算出：

$X=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_2\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_2)-{\mathrm{\Δt}}_4({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_2)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

$Y=\frac{c^2{\mathrm{\Δt}}_4\[{\mathrm{\Δt}}_3({\mathrm{\Δt}}_3-{\mathrm{\Δt}}_4)-{\mathrm{\Δt}}_2({\mathrm{\Δt}}_2-{\mathrm{\Δt}}_4)\]}{4L({\mathrm{\Δt}}_4-{\mathrm{\Δt}}_3+{\mathrm{\Δt}}_2)}$

其中，Δt1，Δt2，Δt3分别为第二传感器、第三传感器，第四传感器相对于第一传感器的时差，c是传播速度。

10.根据权利要求7所述的智能机器人寻声定位系统，其特征在于，智能机器人的正面方向由所述多个传感器确定。