[发明专利]自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及灾难现场的自动搜寻技术，具体是一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法。

背景技术

在地震、滑坡等自然灾害或者爆炸、矿井等事故中均会造成建筑物倒塌或地层塌陷，了解灾难现场有否被困人员及他们准确位置，是成功营救的第一步。由于现场危险且复杂，施救人员进入现场往往难度较大，并且无法保证营救人员的安全。为此，在灾难现场多使用智能救援机器人，救援机器人能够深入倒塌的建筑物内进行侦察，确定被困人员的位置，及时为搜救提供必要的准确信息。

视觉定位是救援机器人对目标定位的一种重要方式，但是视觉易受现场光线、障碍物和能见度限制，视觉定位的救援机器人无法完成灾难现场的全面搜索。

听觉声音定位不受光线、障碍物影响，且声响数据相对于视频定位所需处理的数据量大幅度减小，更适应于资源有限的移动救援设备上安装。且声音可全方位定位，能为救援提供准确位置信息。

现有的基于麦克风阵列声音定位技术，利用麦克风阵列中各阵元的空间关系，结合声音到达各麦克风阵元的时间不同，对声源进行定位。目前的声音定位技术主要为时延估计法，即计算声源发出的声音信号到达不同麦克风阵元的时延估计值，结合阵列的空间结构确定声源的位置。显然各阵元的时延估计值的精度直接决定目标定位的精度。然而对于平台资源有限的救援机器人，声音定位中数据采样率受到限制。在采样率不变时，增大阵元间距，可以增加采样点数，进而提高时延估计值精度，提高声源定位的精度。然而，现有的大多数麦克风阵列结构固定。

2014年9月公开的中国发明专利CN104049235A“声源定向装置中的传声器阵列”，公开了一种几何结构可变的传声器阵列，包括四个传声器，其中三个传声器处于一个平面，另一传声器与该平面的夹角可改变。这种结构通过改变第四个传声器与其它三个传声器平面的夹角，改变了阵列的空间结构，从而可对目标进行多次定向，提升定向的准确度。但其三个阵元间的相对距离固定不变，实际应用中，第四个阵元更会增大阵列的线度。应用到救援机器人中存在以下不足：

1、救援机器人在现场的移动中，常会遇到狭小通道与障碍物，麦克风阵列尺寸大小受到限制，阵元间距固定，将会无法深入现场的内部，影响搜寻效率；

2、救援机器人移动中常会遇到高度较小的狭小通道，其三个传声器构成的三角形平面安装位置只能尽量靠近机器人的本体，导致阵列接收到的声源信号容易受到机器人的履带和驱动电机的噪音影响，导致时延估计法得到的时延估计值精度大幅度降低，影响定位精度。

3、安装第四个传声器S4的转动杆的长度是一定的，该传声器与XOY平面的夹角改变时需要较大的竖直空间，当机器人本体上方空间有限时，转动杆难以转动实现阵列的变化。

因此，需要一种能够自适应现场空间环境的麦克风阵列的声音定位救援机器人，以能及时对现场进行全面搜索，实现对被困人员定位，提供准确的导航信息，为救援争取宝贵时间。

发明内容

本发明的目的是设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，包括与主控单元连接的检测前方、侧方和上方障碍物避障模块，调节麦克风阵列平面高度的电动缸，还有调节各阵元间距的齿轮齿条机构，在通过狭小通道时，自适应地减小阵元的间距和阵列平面的高度，以快速通过通道；在空间较大时，自动增大阵元间距离和阵列距离车体的高度，提高声源定位精度。

本发明的另一目的是设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，主控单元根据避障模块的信号，与预设的安全距离比较，当与障碍物的距离小于安全距离，则指令电动缸降低麦克风阵列平面高度或者指令步进电机驱动齿轮齿条机构缩小阵元间距，反之，当与障碍物的距离大于安全距离1.5倍，则升高阵列平面或者增大阵元间距。本法可让救援机器人迅速通过狭小通道，且空间允许就使阵列平面高度和阵元间距尽可能大，提高声源定位精度。

本发明设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，包括带有行走机构的车体，设置在车体上的主控单元、声音定位模块和避障模块，行走机构包括驱动电机和其驱动的行走机械装置，所述行走机构的驱动电机、避障模块和声音定位模块均与主控单元连接。主控单元含有信号处理模块，对麦克风阵列的接收的声音信号进行处理、计算，求得声源方位角，以此修正导航角。主控单元连接无线通讯模块，该无线通讯模块与救援机器人管理系统双向无线通讯连接，接收救援机器人管理系统的指令，并将当前运行信息实时发送回救援机器人管理系统。