CN107390175A - 一种以机器人为载体的声源定位导航装置 - Google Patents

一种以机器人为载体的声源定位导航装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以机器人为载体的声源定位导航装置，包括用于向装置本身进行供电的供电模块；所述供电模块连接有用于进行声源位置计算的主控模块；所述主控模块连接有用于信息接收的信息接收模块；述主控模块连接有用于存储的存储模块；所述主控模块连接有用于向声源地位置进行导航的导航模块；所述主控模块连接有用于与网络通信的数据通信模块。本发明通过对定位装置、避障装置以及语音识别装置的特殊设计使本方案能够准确识别用户的语音指令；并且能够通过导航装置和避障装置的配合，能够有效进行对声源位置的避障和导航，与现有技术相比，本技术方案更加符合目前用户的需求，同时也更加稳定。

Description

一种以机器人为载体的声源定位导航装置
技术领域
本发明涉及声源定位导航领域，特别是涉及一种以机器人为载体的声源定位导航装置。
背景技术
随着家居智能化和物联网的发展，人们的家庭生活的智能程度正不断提高，家庭智能机器人的出现便是家居智能化的重要体现。家庭智能服务机器人的自由移动能力和实现声源智能是体现其整体效果的重要功能，而将这两个功能相结合，则是机器人研发领域内一大难题。
现有技术中，具有以机器人为载体的声源定位导航装置技术尚存在以下缺陷：
(1)对于声源的估计容易出现误差，因此不方便实际操作。现有技术中存在一些声源定位的方法，但不能实现麦克风阵列的精确计算。
(2)对用户命令识别范围非常有限，不能够适用于用户指令灵活多变的家居环境。现有技术中，具有声源导航行走的机器人通常不对语音指令的具体含义进行识别解析，只是跟随用户的声音进行导航行走，一些用户的无意义语音会误导机器人，存在命令执行不精准的问题；
(3)不能具体有效的进行避障和导航。着人工智能技术的不断提高，出现了很多声源定位技术。但此类技术的应用，存在实际使用障碍，未能与智能服务机器人的运动避障系统，进行有效结合，实现基于声源定位的导航运动。
因此本领域技术人员致力于开发一种以机器人为载体的声源定位导航装置，能够适用于用户指令多变的家居方案，同时该装置既能够精确地进行声源定位和导航，并且能够进行在家居环境中进行精确的避障。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种以机器人为载体的声源定位导航装置，能够适用于用户指令多变的家居方案，同时该装置既能够精确地进行声源定位和导航，并且能够进行在家居环境中进行精确的避障。
为实现上述目的，本发明提供了一种以机器人为载体的声源定位导航装置，包括用于向装置本身进行供电的供电模块，所述供电模块连接有用于进行声源位置计算的主控模块，所述主控模块连接有用于信息接收的信息接收模块，所述主控模块连接有用于存储的存储模块，所述主控模块连接有用于向声源位置进行导航的导航模块，所述主控模块连接有用于与网络通信的数据通信模块。
本设计方案具体包括：用于信息接收的装置，用于降噪消回音的装置，用于连接网络将语音信息转化为文字信息的装置，用于调用存储单元的语义解析库对文字信息进行解析的装置，包括用于判断是否接收到机器人执行声源定位行走的命令信息装置，如果不是，则用于回到信息接收的装置,如果是，则用于计算声源位置的装置用于输入电机正反转信号执行运动到声源位置的装置，用于判断是否识别到障碍的装置，如果不是，用于到达声源地的装置，如果是，用于判断是否每一个传感器均识别到障碍的装置，其中，如果是，用于使装置整体向逆时针方向旋转90度的装置，其中如果不是，用于使装置整体向未识别障碍的传感器的方向旋转15度的装置，用于返回判断是否识别到障碍的装置。
较佳的，所述用于调用所述存储模块的语义解析库对文字信息进行解析的装置，包括：用于收集大量语句，将语句进行分类，然后训练事件分类模型的装置，用于将语句通过条件随机场(CRF,Conditional Random Field)分词器进行分词以及词位标注的装置，用于通过训练语义解析模型，实现对语句语义的理解的装置。
较佳的，所述信息接收装置包括第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风组成麦克风阵列装置；所述第一麦克风位置和所述第三麦克风的位置连线与第二麦克风和第四麦克风的位置连线正交，且所述第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风离正交中心的距离相同。
本麦克风阵列装置将四个麦克风设定了特定的位置，根据本方案设置的麦克风阵列使本方案相对现有技术能够更加方便和清楚地利用公式计算声源位置，进而实现更精确的定位。如果采用其他方式设置麦克风，将会导致声源定位的计算量增大，进而降低定位装置的可靠性。
较佳的，本装置包括有所述计算声源位置的装置，包括：用于计算声源到达不同麦克风的时间差的装置和用于按照下列公式计算声源地位置的装置：
其中，r为声源到坐标原点的距离，D为所述麦克风线阵中第一麦克风与第四麦克风之间的距离，为声源位置的方位角，θ为声源位置的俯仰角，v为声音传播速度，t1为第一麦克风接收到语音所需的时间，τ12为第一麦克风与第二麦克风接收到语音的时间差，τ13为第一麦克风与第三麦克风接收到语音的时间差，τ14为第一麦克风与第四麦克风接收到语音的时间差。
较佳的，本装置中，所述用于判断是否识别到障碍的装置包括红外线传感器组装置和超声波传感器组装置，所述红外线传感组包括至少一个上端红外线传感器，所述超声波传感器组包括前部超声波传感器和后部超声波传感器。所述上端红外线传感器设置在距离水平地面4-5cm的位置。
较佳的，本装置中，所述上端红外线传感器包括结构相同的第一前部红外线传感器、第二前部红外线传感器、第三前部红外线传感器，相邻的所述第一前部红外线传感器与第二红外线传感器之间、所述第二红外线传感器与第三红外线传感器之间的夹角设置为40-50°。
所述上端红外线传感器还包括及第一后部红外线传感器和第二后部红外线传感器，所述第一后部红外线传感器与第二后部红外线传感器之间的夹角设置为90-100°。所述前部超声波传感器设置在机器人正前方距水平地面55-58cm的位置，所述后部超声波传感器设置在机器人正后方距水平地面49-52cm的位置。
本方案中，当所有传感器均受到障碍反馈信息时，如果旋转小于90度，则会降低导航装置运动效率，如果大于90度，则会使导航装置容易忽略实际无障碍区，不能实现避障功能，当不是所有传感器均受到障碍反馈信息时，如果旋转超过15度，则会使本装置容易忽略实际无障碍区，不能实现避障功能，如果小于15度，会降低导航装置运动效率。
本发明的有益效果是：本发明通过对定位装置、避障装置以及语音识别装置的特殊设计使本方案能够准确识别用户的语音指令，并且能够通过导航装置和避障装置的配合，能够有效进行对声源位置的避障和导航，与现有技术相比，本方案更加符合目前用户的需求，同时也更加稳定。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的结构示意图。
图2是本发明的工作流程图。
图3是本发明具体计算声源位置的模拟示意图。
图4是麦克风位置示意图。
图5是避障模块超声波传感器位置示意图。
图6是避障模块上端红外传感器位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1至图6所示，一种以机器人为载体的声源定位导航装置，包括用于向装置本身进行供电的供电模块；供电模块连接有用于进行声源位置计算的主控模块；主控模块连接有用于信息接收的信息接收模块；主控模块连接有用于存储的存储模块；主控模块连接有用于向声源地位置进行导航的导航模块；主控模块连接有用于与网络通信的数据通信模块。
以机器人为载体的声源定位导航装置，具体还包括：用于信息接收的装置：用于降噪消回音的装置；用于连接网络将语音信息转化为文字信息的装置；用于调用存储单元的语义解析库对文字信息进行解析的装置；用于判断是否接收到机器人执行声源定位行走的命令信息装置；如果不是，则用于回到信息接收的装置；如果是，则用于计算声源位置的装置；用于输入电机正反转信号执行运动到声源位置的装置；用于判断是否识别到障碍的装置；如果不是，用于到达声源地的装置；如果是，用于判断是否每一个传感器均识别到障碍的装置；其中，如果是，用于使装置整体向逆时针方向旋转90度的装置；其中如果不是，用于使装置整体向未识别障碍的传感器的方向旋转15度的装置；用于返回判断是否识别到障碍的装置。
信息接收装置包括第一麦克风S1、第二麦克风S2、第三麦克风S3、第四麦克风S4组成麦克风阵列装置；所述第一麦克风S1位置和所述第三麦克风S3的位置连线L1与第二麦克风S2和第四麦克风S4的位置连线L2正交，且所述第一麦克风S1、第二麦克风S2、第三麦克风S3、第四麦克风S4离正交中心的距离相同。
用于调用所述存储模块的语义解析库对文字信息进行解析的装置；包括：用于收集大量语句，将语句进行分类，然后训练事件分类模型的装置；用于将语句通过条件随机场(CRF,Conditional Random Field)分词器进行分词以及词位标注的装置；用于通过训练语义解析模型，实现对语句语义的理解的装置。
用于计算声源位置的装置，包括：用于计算声源到达不同麦克风的时间差的装置和用于按照下列公式计算声源地位置的装置：
其中，r为声源到麦克风阵列正交中心点的距离；
D为所述麦克风线阵中第一麦克风到第四麦克风之间的距离；
为声源位置的方位角；
θ为声源位置的俯仰角；
v为声音传播速度；
t1为第一麦克风接收到语音所需的时间；
τ12为第一麦克风与第二麦克风接收到语音的时间差；
τ13为第一麦克风与第三麦克风接收到语音的时间差；
τ14为第一麦克风与第四麦克风接收到语音的时间差。
具体的，计算声源地位置的方法是：如图3所示，麦克风阵列，由两个相互正交的麦克风线阵S1、S3、S2和S4组成。线阵的麦克风之间的间距为D，以两线阵的交点为坐标原点，建立如图2所示的直角坐标系和球坐标系。四个麦克风的直角坐标分别为：S1(D/2,0,0)、S3(-D/2,0,0)、S2(0,D/2,0)、S4(0,-D/2,0)，设目标声源T的直角坐标为(x,y,z),球坐标为(r,θ)。即目标T到坐标原点的距离为r，方位角为俯仰角为θ。
当目标声源T离阵中心的距离比麦克风间距大的多时，可以假设目标T为点声源，并以球面波形式进行传播。设声速为v，声源到达阵元S1的传播时间为t1，到达阵元S2、S3、S4与相对于到达阵元S1的时间延迟分别为τ12、τ13、τ14，通过时延τ12、τ13、τ14，通过计算即可确定目标声源T的位置。
根据上述参数，可以通过以下公式计算目标声源T的距离和方位：
求解方程组得到以下结果，即目标T到坐标原点的距离r、方位角俯仰角θ的结果。
具体的，本装置的用于调用存储单元的语义解析库对文字信息进行解析的装置具有语义分析库，可以通过本装置的语义解析装置实现语义解析库的训练：
1)收集大量语句，将语句进行分类，然后训练事件分类模型；2)将语句通过条件随机场(CRF,Conditional Random Field)分词器进行分词以及词位标注；3)通过训练语义解析模型，实现对语句语义的理解。
完成语义分析库的训练后，当本装置接收到声源地的特定语音命令时，装置连接网络数据库将语音命令转化为文字命令，进而向语义解析库中寻找适合的场景，进而识别命令要求；本装置能够识别的命令要求包括但不限于“来”、“过来”、“到这来”、“来这”、“来这里”、“Come here”、“快来”等语句。
识别命令后，主控模块计算出声源位置，然后控制导航模块向声源位置运动。当途中遇到障碍时，主控单元控制避障装置进行避障：用于判断是否识别到障碍的装置包括红外线传感器组装置和超声波传感器组装置；红外线传感组包括至少一个上端红外线传感器；超声波传感器组包括前部超声波传感器和后部超声波传感器。
上端红外线传感器Q1、Q2、Q3、H1、H2设置在距离水平地面4-5cm的位置,上端红外线传感器包括结构相同的第一前部红外线传感器Q1、第二前部红外线传感器Q2、第三前部红外线传感器Q3，相邻的第一前部红外线传感器Q1与第二红外线传感器Q2之间、第二红外线传感器Q2与第三红外线传感器Q3之间的夹角设置为40-50°。
上端红外线传感器还包括及第一后部红外线传感器Q1和第二后部红外线传感器Q2，第一后部红外线传感器H1与第二后部红外线传感器H2之间的夹角设置为90-100°。
前部超声波传感器C1设置在机器人正前方距水平地面55-58cm的位置；
后部超声波传感器C2设置在机器人正后方距水平地面49-52cm的位置。
具体而言，如图6，前部红外线传感器设置为3个相同的前部红外线传感器(Q1，Q2，Q3)；后部红外线传感器设置为2个(H1，H2)，红外线传感器位置关系如图6。Q1，Q2，Q3之间相邻的两个前部红外线传感器之间的夹角设置为45°；H1，H2之间的夹角设置为90°。
Q1、Q2、Q3、H1、H2设置在距离水平地面4.5cm的位置。
在其他具体实施方式中，也可将各上端红外线传感器之间设置为距离水平地面4-5cm之间的其他值，以达到基本相同的技术效果，如4cm、5cm。
在其他具体实施方式中，也可将Q1，Q2，Q3之间相邻的两个前部红外线传感器之间的夹角设置为40-50°之间的其他值，以达到基本相同的技术效果，如40°、41°、42°、43°、44°、46°、47°、48°、49°、50°。其他实施方式中，也可以将H1,H2之间的夹角设置为90-100°之间的其他值，以达到基本相同的技术效果，如91°，92°，93°，94°，95°，96°，97°，98°，99°，100°。
如图5，前部超声波传感器C1设置在机器人正前方距水平地面56cm的位置；后部超声波传感器C2设置在机器人正后方距水平地面50cm的位置。
超声传感器有效探测角度为60-80°，超声传感器的探测距离设置为20-25cm。
在其他具体实施方式中，也可将前部超声波传感器C1设置在机器人正前方距水平地面49-52cm的位置的其他值，以达到基本相同的技术效果，如49cm、51cm、52cm。
在其他具体实施方式中，也可将前部超声波传感器C1设置在机器人正前方距水平地面55-58cm的位置的其他值，以达到基本相同的技术效果，如55cm、57cm、58cm。
如图5至图6，防跌落红外探测器F1设置在机器人上距离水平地面2.5cm的位置。
探测时，通过超声波传感器C1和C2能够感知到机器人正前方和正后方的障碍物，通过前端红外传感器Q1、Q2和Q3能够感知侧面的障碍物；通过后端红外传感器H1、H2或者H3能够感知后面的障碍物；当C1、C2、Q1、Q2、Q3、H1、H2、H3任一传感器感知到有障碍物时，即由机器人主控模块进行控制运动避开障碍物。
装置识别命令要求后，由主控模块根据前述方法计算出声源地位置，控制导航单元驱动电机运转，从而向声源地进行导航；同时主控单元控制避障装置进行避障传感，如图6，可以利用传感器C1、C2、Q1、Q2、Q3、H1、H2同时对导航路径进行识别，主控模块判断是否接收到障碍反馈信息，当接收到障碍反馈信息时，主控单元判断是否所有传感器均收到障碍反馈信息。
如果是，则主控单元控制导航模块逆时针旋转90度，进行是否有传感器收到障碍反馈信息的再次判断；
如果不是，则主控单元控制导航模块向未识别到障碍的传感器的方向旋转15度，进行是否有传感器收到障碍反馈信息的再次判断；
重复以上操作，直到到达声源地。
本方案中，当所有传感器均受到障碍反馈信息时，如果旋转小于90度，则会降低导航装置运动效率，如果大于90度，则会使导航装置容易忽略实际无障碍区，不能实现避障功能；当不是所有传感器均受到障碍反馈信息时，如果旋转超过15度，则会使本装置容易忽略实际无障碍区，不能实现避障功能，如果小于15度，会降低导航装置运动效率。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：
包括用于向装置本身进行供电的供电模块；
所述供电模块连接有用于进行声源位置计算的主控模块；
所述主控模块连接有用于信息接收的信息接收模块；
所述主控模块连接有用于存储的存储模块；
所述主控模块连接有用于向声源地位置进行导航的导航模块；
所述主控模块连接有用于与网络通信的数据通信模块。
2.如权利要求1所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：包括：
用于信息接收的装置；
用于降噪消回音的装置；
用于连接网络将语音信息转化为文字信息的装置；
用于调用所述存储模块的语义解析库对文字信息进行解析的装置；
包括用于判断是否接收到机器人执行声源定位行走的命令信息装置；
如果不是，则用于回到信息接收的装置；
如果是，则用于计算声源位置的装置；
用于输入电机正反转信号执行运动到声源位置的装置；
用于判断是否识别到障碍的装置；
如果不是，用于到达声源地的装置；
如果是，用于判断是否每一个传感器均识别到障碍的装置；
其中，如果是，用于使装置整体向逆时针方向旋转90度的装置，
其中如果不是，用于使装置整体向未识别障碍的传感器的方向旋转15度的装置；
用于返回判断是否识别到障碍的装置。
3.如权利要求2所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述用于调用所述存储模块的语义解析库对文字信息进行解析的装置；包括：
用于收集大量语句，将语句进行分类，然后训练事件分类模型的装置；
用于将语句通过条件随机场分词器进行分词以及词位标注的装置；
用于通过训练语义解析模型，实现对语句语义的理解的装置。
4.如权利要求2所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述信息接收装置包括第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风组成麦克风阵列装置；所述第一麦克风位置和所述第三麦克风的位置连线L1与第二麦克风和第四麦克风的位置连线正交L2，且所述第一麦克风、第二麦克风、第三麦克风、第四麦克风离正交中心的距离相同。
5.如权利要求2所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述计算声源位置的装置，包括：
用于计算声源到达不同麦克风的时间差的装置；
用于按照下列公式计算声源地位置的装置：
其中，r为声源到麦克风阵列正交中心点的距离；
D为所述麦克风线阵中第一麦克风到第四麦克风之间的距离；
为声源位置的方位角；
θ为声源位置的俯仰角；
v为声音传播速度；
t1为第一麦克风接收到语音所需的时间；
τ12为第一麦克风与第二麦克风接收到语音的时间差；
τ13为第一麦克风与第三麦克风接收到语音的时间差；
τ14为第一麦克风与第四麦克风接收到语音的时间差。
6.如权利要求2所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述用于判断是否识别到障碍的装置包括红外线传感器组装置和超声波传感器组装置；所述红外线传感组包括至少一个上端红外线传感器；所述超声波传感器组包括前部超声波传感器和后部超声波传感器。
7.如权利要求6所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述上端红外线传感器设置在距离水平地面4-5cm的位置；
所述上端红外线传感器包括结构相同的第一前部红外线传感器、第二前部红外线传感器、第三前部红外线传感器，相邻的所述第一前部红外线传感器与第二红外线传感器之间、所述第二红外线传感器与第三红外线传感器之间的夹角设置为40-50°。
8.如权利要求7所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述上端红外线传感器还包括及第一后部红外线传感器和第二后部红外线传感器，所述第一后部红外线传感器与第二后部红外线传感器之间的夹角设置为90-100°。
9.如权利要求6所述的以机器人为载体的声源定位导航装置，其特征是：所述前部超声波传感器设置在机器人正前方距水平地面55-58cm的位置；
所述后部超声波传感器设置在机器人正后方距水平地面49-52cm的位置。
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