CN114384472B - 一种移动机器人声源定位方法、机器人及可读存储介质 - Google Patents

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    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

本发明提供了一种移动机器人声源定位方法、机器人、可读存储介质，所述移动机器人声源定位方法包括：S1、当检测到声源信号后，依次沿圆形轨迹C1、C2运行并分别测得信号声压p1、p2；S2、分别将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，依次得到e1、e2的最大值、最小值坐标并建立直线方程组，得到声源在机器人所在移动平面上投影的坐标；S3、结合圆形轨迹上信号声压p1、p2的最大值和最小值的点坐标和压幅比关系式，建立方程确定被测声源的三维坐标。本发明所述移动机器人声源定位方法采用可移动单麦克风和基于机器人移动路径的声源定位技术进行空间声源定位，方法简单、可靠；依赖麦克风数量少，计算量小，降低空间声源定位的实施难度和成本。

Description

一种移动机器人声源定位方法、机器人及可读存储介质
技术领域
本发明涉及定位技术领域，具体而言，涉及一种单麦克风移动机器人声源定位方法、机器人及可读存储介质。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，智能机器人渐渐进入人们的生活。在智能机器人领域，听觉技术水平高低已然成为了其智能化程度的衡量指标之一。机器人听觉技术的核心之一便是声源定位技术，因此，为移动机器人设计高精度声源定位算法是机器人听觉技术领域的一个重要研究方向。
目前，多数声源定位是根据麦克风阵列的相对位置关系和声源信号到达各麦克风的时间差，计算得到声源的相对位置。譬如，发明专利CN109001682C中公开了一种基于麦克风阵列的机器人声源定位方法，构造具有6个阵元的麦克风阵列用于声源定位，利用互相关算法计算声源信号到各麦克风间的时延差，计算得到声源坐标、方位角和俯仰角。该方法麦克风数量多且距离近，结构冗余且麦克风接收声源信号时间差小，整个声源定位系统不可避免存在干扰和误差。因此，该方法定位精度有所欠缺。
发明内容
本发明解决的问题是单麦克风移动机器人无法实现三维空间声源定位的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种移动机器人声源定位方法，包括：S1、当检测到声源信号后，沿圆形轨迹C1运行并测得信号声压p1，再沿圆形轨迹C2运行并测得信号声压p2；S2、分别将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，并得到e1、e2的最大值、最小值坐标，建立直线方程组，得到声源在机器人所在移动平面上投影的坐标；S3、结合圆形轨迹上信号声压p1、p2的最大值和最小值的点坐标和压幅比关系式，建立方程确定被测声源的三维坐标。
优选的，步骤S1中所述圆形轨迹C1、C2的直径分别为d1、d2，所述信号声压p的与距离的关系式为：
Figure GDA0003774917740000021
其中，p0为初始声压，r为传播距离，p为传播距离r后的声压，r0为声源至毗邻处的传播距离，w为简谐振动角频率，k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数。
优选的，所述移动机器人的上方设置至少一个麦克风，且所述麦克风的工作面朝上；优选的，所述移动机器人的上方设置一个竖直放置的麦克风的且所述麦克风的四周无遮挡。优选的，所述d1的取值范围为1-200cm，且d1＝d2。
优选的，步骤S2包括：S21、将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，且e(t)＝βp(t)sinγ，其中β为麦克风测得信号声压与输出电压件传递特性，e为输出电压，γ为信号相对于麦克风中心移动平面的夹角；
S22、根据C1的输出电压e1得到输出电压的最大值e1max、最小值e1min，对应信号的点坐标(x1max，y1max，z0)、(x1min，y1min，z0)；同理得到C2上输出电压的最大值e2max、最小值e2min，对应信号的点坐标(x2max，y2max，z0)、(x2min，y2min，z0)；
S23、假设所述声源的空间坐标为(xs，ys，zs)，并建立方程组：
Figure GDA0003774917740000031
得到声源在机器人移动平面上投影的坐标(xs，ys)。
优选的，所述步骤S2还包括：S24、判断是否得到声源在机器人移动平面上投影坐标(xs，ys)，若是，则进行步骤S3；若否，则返回步骤S1。如若无法得到声源坐标，即声源位于过两条圆形轨迹圆心的直线上，此时，引入一条新的圆心不在该直线上的轨迹圆，进行求解即可得到声源在X’O’Y’投影面上的坐标(xs，ys)。
优选的，步骤S3包括：S31、所述声源与圆形轨迹C1上输出电压的最大值、最小值点的距离分别为r1max、r1min，由空间几何关系，列出方程组：
Figure GDA0003774917740000032
S32、根据圆形轨迹C1中麦克风最大、最小输出电压和其对应点相对于声源距离的变化关系，建立压幅比关系式：
Figure GDA0003774917740000033
求解上述方程组，得到声源的三维坐标(xs，ys，zs)。
相对于现有技术，本发明所述的移动机器人声源定位方法具有下述有益效果：1)使用可移动单麦克风和基于机器人移动路径的声源定位技术进行空间声源定位，方法简单、可靠；2)依赖麦克风数量少，计算量小，降低空间声源定位的实施难度和成本，突破了现有声源定位方法基于单麦克风无法实现空间声源定位的局限。
本发明还提供了一种机器人，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现上述的移动机器人声源定位方法。
本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述的移动机器人声源定位方法。所述机器人、可读存储介质具有与移动机器人声源定位方法相同的有益效果，在此不进行赘述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的移动机器人行驶路径示意图；；
图2为本发明实施例所述的空间声源定位的原理图；
图3为本发明实施例所述二维平面中声源定位的原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
一种移动机器人声源定位方法，包括：
S1、当检测到声源信号后，沿圆形轨迹C1运行并测得信号声压p1，再沿圆形轨迹C2运行并测得信号声压p2；S2、分别将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，并得到e1、e2的最大值、最小值坐标，建立直线方程组，得到声源在机器人所在移动平面上投影的坐标；S3、结合圆形轨迹上信号声压p1、p2的最大值和最小值的点坐标和压幅比关系式，建立方程求解确定被测声源的三维坐标。
优选的，步骤S1中所述圆形轨迹C1、C2的直径分别为d1、d2，所述信号声压p的与距离r的关系式为：
Figure GDA0003774917740000051
其中，p0为初始声压，r为传播距离，p为传播距离r后的声压，r0为声源至毗邻处的传播距离，w为简谐振动角频率，k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数。
优选的，所述移动机器人的上方设置至少一个麦克风，且所述麦克风的工作面朝上；优选的，所述移动机器人的上方设置一个竖直放置的麦克风的且所述麦克风的四周无遮挡。优选的，所述d1的取值范围为1-200cm，且d1＝d2。
优选的，步骤S2包括：S21、将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，且e(t)＝βp(t)sinγ，其中β为麦克风测得信号声压与输出电压件传递特性，e为输出电压，γ为信号相对于麦克风中心移动平面的夹角；
S22、根据C1的输出电压e1得到输出电压的最大值e1max、最小值e1min，对应信号的点坐标(x1max，y1max，z0)、(x1min，y1min，z0)；同理得到C2上输出电压的最大值e2max、最小值e2min，对应信号的点坐标(x2max，y2max，z0)、(x2min，y2min，z0)；
S23、假设所述声源的空间坐标为(xs，ys，zs)，并建立方程组：
Figure GDA0003774917740000052
得到声源在机器人移动平面上投影的坐标(xs，ys)。
优选的，所述步骤S2还包括：S24、判断是否得到声源在机器人移动平面上投影坐标(xs，ys)，若是，则进行步骤S3；若否，则返回步骤S1。如若无法得到声源坐标，即声源位于过两条圆形轨迹圆心的直线上，此时，引入一条新的圆心不在该直线上的轨迹圆，进行求解即可得到声源在X’O’Y’投影面上的坐标(xs，ys)。
优选的，步骤S3包括：
S31、所述声源与圆形轨迹C1上输出电压的最大值、最小值点的距离分别为r1max、r1min，由空间几何关系，列出方程组：
Figure GDA0003774917740000061
S32、根据圆形轨迹C1中麦克风最大、最小输出电压和其对应点相对于声源距离的变化关系，建立压幅比关系式：
Figure GDA0003774917740000062
求解上述方程组，得到声源的三维坐标(xs，ys，zs)。
实施例2
一种移动机器人声源定位方法，包括：
S1、如图1所示，移动机器人沿直径为d1的圆形轨迹行驶，直至完成一个圆周运动，该圆形轨迹记为C1；再沿不同圆心、直径为d2的圆形轨迹行驶，完成一周圆周移动，此圆形轨迹记为C2。
S2、如图2所示，行使中通过麦克风测得声源的信号声压p，所述信号声压p与距离r的关系式为
Figure GDA0003774917740000063
其中p0为初始声压，r为传播距离，p为传播距离r后的声压，r0为声源至毗邻处的传播距离，w为简谐振动角频率，k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数。
S3、将声源的信号声压转换p为输出电压e，其中e(t)＝βp(t)sinγ，所述β为麦克风测得信号声压与输出电压件传递特性，e为输出电压，γ为信号相对于麦克风中心移动平面的夹角。
S4、比较圆形轨迹C1上麦克风的输出电压，得到此轨迹上输出电压最大值e1max、最小值e1min，即圆形轨迹C1距离声源的最远点、最近点，对应信号检测点坐标P1max(x1max，y1max，z0)、P1min(x1min，y1min，z0)；同理，通过比较得到圆形轨迹C2上麦克风的输出电压最大值e2max、最小值e2min，对应信号检测点坐标P2max(x2max，y2max，z0)、P2min(x2min，y2min，z0)；
S5、在X’O’Y’平面中，声源与圆形轨迹C1的最远点、最近点坐标分别为P1max(x1max，y1max)、P1min(x1min，y1min)；与圆形轨迹C2的最远点、最近点坐标分别为P2max(x2max，y2max)、P2min(x2min，y2min)，并建立方程组：
Figure GDA0003774917740000071
过点P1max、P1min确定一条直线l1，过点P2max、P2min确定一条直线l2，两直线相交即为声源在X′O′Y′投影面上的坐标(xs，ys)。
S6、判断步骤S5是否能计算出声源在X′O′Y′投影面上的坐标(xs，ys)，若是，则进行步骤S7；若否，则移动机器人沿直径为d3的圆形轨迹行驶，直至完成一个圆周运动，该圆形轨迹记为C3，并返回步骤S1。
S7、在空间坐标系中，记声源与点P1max、P1min的距离分别为r1max、r1min，由空间几何关系，列出方程组：
Figure GDA0003774917740000072
S8、根据圆形轨迹C1中麦克风最大、最小输出电压和其对应点相对于声源距离的变化关系，建立压幅比关系式：
Figure GDA0003774917740000081
求解上述方程组，得到声源的三维坐标(xs，ys，zs)。
本发明还提供了一种机器人，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现上述的移动机器人声源定位方法。
本发明还提供了一种可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述的移动机器人声源定位方法。所述机器人、可读存储介质具有与移动机器人声源定位方法相同的有益效果，在此不进行赘述。就本说明书而言，所述可读存储介质可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种移动机器人声源定位方法，其特征在于，包括：
S1、当检测到声源信号后，沿圆形轨迹C1运行并测得信号声压p1，再沿圆形轨迹C2运行并测得信号声压p2；
S2、分别将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，依次得到e1、e2的最大值、最小值坐标并建立直线方程组，得到声源在机器人所在移动平面上投影的坐标；步骤S2包括：
S21、将信号声压p1、p2转换为输出电压e1、e2，且e(t)＝βp(t)sinγ，其中β为麦克风测得信号声压与输出电压件传递特性，e为输出电压，γ为信号相对于麦克风中心移动平面的夹角；
S22、根据C1的输出电压e1得到输出电压的最大值e1max、最小值e1min，对应信号的点坐标(x1max，y1max，z0)、(x1min，y1min，z0)；同理得到C2上输出电压的最大值e2max、最小值e2min，对应信号的点坐标(x2max，y2max，z0)、(x2min，y2min，z0)；
S23、假设所述声源的空间坐标为(xs，ys，zs)，并建立方程组：
Figure FDA0003774917730000011
得到声源在机器人移动平面上投影的坐标(xs，ys)；
S3、结合圆形轨迹上信号声压p1、p2的最大值和最小值的点坐标和压幅比关系式，建立方程确定被测声源的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的移动机器人声源定位方法，其特征在于，步骤S1中所述圆形轨迹C1、C2具有不同的圆心，且其直径分别为d1、d2，所述信号声压p的与距离的关系式为：
Figure FDA0003774917730000021
其中，p0为初始声压，r为传播距离，p为传播距离r后的声压，r0为声源至毗邻处的传播距离，w为简谐振动角频率，k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人声源定位方法，其特征在于，所述移动机器人的上方设置至少一个麦克风，所述麦克风的工作面朝上。
4.根据权利要求3所述的移动机器人声源定位方法，其特征在于，所述移动机器人的上方仅设置一个麦克风，所述麦克风的工作面朝上且四周未被所述移动机器人的零部件遮挡。
5.根据权利要求2所述的移动机器人声源定位方法，所述d1的取值范围为1cm-200cm，且d1＝d2。
6.根据权利要求1所述的移动机器人声源定位方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：S24、判断是否得到声源在机器人移动平面上投影坐标(xs，ys)，若是，则进行步骤S3；若否，则返回步骤S1。
7.根据权利要求1所述的移动机器人声源定位方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、所述声源与圆形轨迹C1上输出电压的最大值、最小值点的距离分别为r1max、r1min，由空间几何关系，列出下列方程组：
Figure FDA0003774917730000031
S32、根据圆形轨迹C1中麦克风最大、最小输出电压和其对应点相对于声源距离的变化关系，建立压幅比关系式：
Figure FDA0003774917730000032
其中r1max、r1min分别代表所述声源与圆形轨迹C1上输出电压的最大值、最小值点的距离，求解上述方程组，得到声源的三维坐标(xs，ys，zs)。
8.一种机器人，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的移动机器人声源定位方法。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器读取并运行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的移动机器人声源定位方法。
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