CN206085054U - 一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，包括PCB基板，所述PCB基板的底端四角设有旋转电机，旋转电机的输出轴上安装有行动轮，本基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，通过三个固定于不同位置的高精度拾音器来采集同一个移动声源发出的音频信号，开源单片机根据音频信号分别传递到A、B、C这三个拾音器的到达时间差TDOA来计算出移动声源S相对于三个拾音器的位置，从而得出S点的平面坐标和角度，然后根据该平面坐标来控制机器人的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的一系列动作，该基于声音到达时差定位的家庭环境机器人能够精确判断出移动声源所处的位置。

Description

一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人。

背景技术

目前智能机器人的定位跟踪主要是依靠视觉定位和听觉定位来实现，由于视觉被限定在小于180°的范围内，且不能穿过不透光的障碍物，因此单纯依靠机器人视觉获取外界信息来进行定位的精度相对较低，而相对于视觉信号来说，声音信号在时间轴上是一维的，在空间上是沿球面径向传播的，任何方向上的传感器都能接收到声波，由于家中障碍物较多，使用视觉定位不能做到随时工作。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，能够精确判断出移动声源所处的位置，随时进行工作，同时比其他能够定位和避障的机器人更加简单方便，使用硬件更少更常见，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，包括PCB基板，所述PCB基板的底端四角设有旋转电机，旋转电机的输出轴上安装有行动轮，所述PCB基板的顶端分别设有电路板、电池盒、拾音器和红外测距传感器，电路板分布在PCB基板的顶端中部，所述拾音器分布在电路板的两侧，红外测距传感器分布在PCB基板的顶端四角，且红外测距传感器之间平行并列设置，所述电池盒分布在电路板的一侧，且电池盒位于其中两个红外测距传感器之间，电池盒内安装有电池，所述电路板的顶端设有开源单片机，开源单片机分别与电路板、电池、拾音器、红外测距传感器和旋转电机电连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电池的上方安装有卡扣，电池盒对应卡扣扣键的位置设有扣槽。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述拾音器有三个，三个拾音器之间呈L形排布，且位于同一个垂直面上的两个拾音器间隔为十厘米。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电路板的顶端设有显示屏，显示屏与开源单片机电连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述PCB基板的顶端设有报警器，报警器与开源单片机电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，通过三个固定于不同位置的高精度拾音器来采集同一个移动声源发出的音频信号，开源单片机根据音频信号分别传递到A、B、C这三个拾音器的到达时间差TDOA来计算出移动声源S相对于三个拾音器的位置，从而得出S点的平面坐标和角度，然后根据该平面坐标来控制机器人的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的一系列动作，该基于声音到达时差定位的家庭环境机器人能够精确判断出移动声源所处的位置，同时比其他能够定位和避障的机器人更加简单方便，使用硬件更少更常见。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型底部结构示意图；

图3为本实用新型扣件结构放大图。

图中：1PCB基板、2电路板、3开源单片机、4电池盒、5卡扣、6电池、7显示屏、8拾音器、9报警器、10红外测距传感器、11旋转电机、12行动轮、13扣槽。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，包括PCB基板1，PCB基板1的底端四角设有旋转电机11，旋转电机11的输出轴上安装有行动轮12，PCB基板1的顶端分别设有电路板2、电池盒4、拾音器8和红外测距传感器10，电路板2分布在PCB基板1的顶端中部，拾音器8分布在电路板2的两侧，红外测距传感器10分布在PCB基板1的顶端四角，且红外测距传感器10之间平行并列设置，电池盒4分布在电路板2的一侧，且电池盒4位于其中两个红外测距传感器10之间，电池盒4内安装有电池6，电池6为高放电倍率聚合物锂电池，电路板2的顶端设有开源单片机3，开源单片机3分别与电路板2、电池6、拾音器8、红外测距传感器10和旋转电机11电连接，电池6的上方安装有卡扣5，电池盒4对应卡扣5扣键的位置设有扣槽13，卡扣5和扣槽13配合安装便于电池6进行拆卸和安装，拾音器8有三个，三个拾音器8之间呈L形排布，且位于同一个垂直面上的两个拾音器8间隔为十厘米，通过三个成L形排布的间隔为十厘米的高精度拾音器8来完成对移动声源S所发出的音频信号的采集，开源单片机3根据音频信号分别传递到A、B、C这三个拾音器8的到达时间差TDOA来计算出移动声源S相对于三个拾音器8的位置，从而得出S点的平面坐标和，然后根据该平面坐标来控制声源的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的一系列动作，电路板2的顶端设有显示屏7，显示屏7与开源单片机3电连接，通过显示屏7显示电池6内电量剩余，PCB基板1的顶端设有报警器9，报警器9与开源单片机3电连接，在电池6电量过少时，报警器9进行报警提示。

在使用时：通过三个成L形排布的间隔为十厘米的高精度拾音器8来完成对移动声源S所发出的音频信号的采集，开源单片机3根据音频信号分别传递到A、B、C这三个拾音器8的到达时间差TDOA来计算出移动声源S相对于三个拾音器8的位置，从而得出S点的平面坐标和，然后根据该平面坐标来控制声源的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的一系列动作，当拾音器8收集到声音信号时，开源单片机3根据以下计算原理计算出声源的位置：在二维平面情况下，利用三个声发射传感器，就可确定声发射源的位置，假设三个声发射传感器坐标分别为R1(x1,y1)，R2(x2,y2)和R3(x3,y3)，声发射源信号到达各传感器的时间分别是t1，t2和t3，时间差为t21＝t2-t1,t31＝t3-t1，目标位置为U(x，y)，根据时差关系有：Ct21＝[(10-x)2+y2]1/2-(x2+y2)1/2＝d21

Ct31＝[x2+(10-y)2]1/2-(x2+y2)1/2＝d31

其中c＝340m/s为声速，x21＝10cm x31＝0cm

y21＝0cm y31＝10cm

X＝r cosθ

Y＝r sinθ

代入上式：

2x21rcosθ+2y21rsinθ＝x212+y212-d21-2d21r

2x31rcosθ+2y31rsinθ＝x312+y312-d31-2d31r

得出：

r＝(x312+y312-d312)/2x31cosθ+2y31sinθ+2d31

变形得：

A cosθ+b sinθ＝c

其中：

a＝(d312-x312-y312)x21-(d212-x212-y212)x31

b＝(d312-x312-y312)y21-(d212-x212-y212)y31

c＝-(d312-x312-y312)d21-(d212-x212-y212)d31

所以夹角度数：

根据以上算法计算出声源到智能机器人的距离和角度，并将此算法编入程序，实现自动计算声源到智能机器人的距离和角度，同时将计算出来结果传输给避障部分，从而驱动机器人向声源处行驶，对于智能机器人而言，室内的环境是未知的，机器人要自主完成从起始点到目标点的路径选择，且该过程中要求机器人完成静、动障碍物的避障，在障碍物方面，在机器人四周安装红外测距传感器10，当前进过程中遇到障碍物时，机器人自动转动90度前进，直到目标方向的障碍物消失，然后继续移动，直到到达声源位置，要实现机器人的避障功能，要提前在开源单片机3里编写避障程序，经过不断的调试，来实现避障部分。

本实用新型通过三个固定于不同位置的高精度拾音器8来采集同一个移动声源发出的音频信号，开源单片机3根据音频信号分别传递到A、B、C这三个拾音器8的到达时间差TDOA来计算出移动声源S相对于三个拾音器8的位置，从而得出S点的平面坐标和角度，然后根据该平面坐标来控制机器人的移动，从而完成移动声源根据设定轨迹进行智能移动的一系列动作，该基于声音到达时差定位的家庭环境机器人能够精确判断出移动声源所处的位置，同时比其他能够定位和避障的机器人更加简单方便，使用硬件更少更常见。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，包括PCB基板(1)，其特征在于：所述PCB基板(1)的底端四角设有旋转电机(11)，旋转电机(11)的输出轴上安装有行动轮(12)，所述PCB基板(1)的顶端分别设有电路板(2)、电池盒(4)、拾音器(8)和红外测距传感器(10)，电路板(2)分布在PCB基板(1)的顶端中部，所述拾音器(8)分布在电路板(2)的两侧，红外测距传感器(10)分布在PCB基板(1)的顶端四角，且红外测距传感器(10)之间平行并列设置，所述电池盒(4)分布在电路板(2)的一侧，且电池盒(4)位于其中两个红外测距传感器(10)之间，电池盒(4)内安装有电池(6)，所述电路板(2)的顶端设有开源单片机(3)，开源单片机(3)分别与电路板(2)、电池(6)、拾音器(8)、红外测距传感器(10)和旋转电机(11)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，其特征在于：所述电池(6)的上方安装有卡扣(5)，电池盒(4)对应卡扣(5)扣键的位置设有扣槽(13)。

3.根据权利要求1所述的一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，其特征在于：所述拾音器(8)有三个，三个拾音器(8)之间呈L形排布，且位于同一个垂直面上的两个拾音器(8)间隔为十厘米。

4.根据权利要求1所述的一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，其特征在于：所述电路板(2)的顶端设有显示屏(7)，显示屏(7)与开源单片机(3)电连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于声音到达时差定位的家庭环境机器人，其特征在于：所述PCB基板(1)的顶端设有报警器(9)，报警器(9)与开源单片机(3)电连接。