[发明专利]一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统及方法

权利要求书

1.一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统，其特征在于，该系统包括：

移动终端，用于识别移动智能车上二维码标志以及给该移动智能车发送音频信号；

移动智能车，所述移动智能车上安装有基于麦克风阵列的传感器系统、二维码标志、驱动电机以及ARM控制器；基于麦克风阵列的传感器系统用于接收移动终端发送的音频信号，并判断音频信号是否含有有用信号，若有，则采用位置估计方法对接收到的音频信号进行位置估计，得到移动终端相对于移动智能车的位置信息；若无，则继续等待有用信号的接收；基于麦克风阵列的传感器系统将位置信息发送给ARM控制器，ARM控制器根据该位置信息进行驱动电机的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统，其特征在于，所述基于麦克风阵列的传感器系统包括麦克风阵列、现场可编程门阵列、数字信号处理器和音频采集装置，麦克风阵列与音频采集装置电连接，现场可编程门阵列控制音频采集装置进行音频信号的采集，并将采集后的信号发送给数字信号处理器进行信号处理和位置估计。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统，其特征在于，所述判断音频信号是否含有有用信号采用语音活动性检测技术。

4.根据权利要求1所述的一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统，其特征在于，所述驱动电机优选直流无刷电机。

5.根据权利要求1所述的一种基于近场麦克风阵列的移动智能车跟随系统的跟随方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)、在移动终端上存储调制好的音频信号库，每个移动智能车上均具有各自唯一的二维码标志，二维码标志对应各自的参考音频信号；

步骤(2)、移动终端扫描移动智能车上的二维码标志，使移动智能车激活，同时移动终端获取该移动智能车的唯一标识；

步骤(3)、根据步骤(1)获得的唯一标识，在移动终端上搜索调制好的音频信号库，选择与移动智能车上唯一标识相对应的音频信号，将该音频信号通过移动终端的扬声器发出；

步骤(4)、激活的移动智能车上的基于麦克风阵列的传感器系统一直处于录音状态，只有采样到的音频信号含有步骤(3)中的音频信号时，基于麦克风阵列的传感器系统首先对采样到的音频信号根据参考音频信号进行滤波，然后采用位置估计方法对接收到的音频信号进行位置估计，得到移动终端相对于移动智能车的位置信息；否则，则继续等待有用信号的接收。

步骤(5)、基于麦克风阵列的传感器系统将位置信息发送给ARM控制器，ARM控制器根据该位置信息进行驱动电机的控制，实现移动智能车对移动终端的跟随。

6.根据权利要求1所述的跟随方法，其特征在于，所述激活的移动智能车上的基于麦克风阵列的传感器系统一直处于录音状态，此时，基于麦克风阵列的传感器系统一直判断采样到的音频信号是否为有用信号，判断采用语音活动性检测技术，具体如下：

首先对采样到的一段音频信号一共分为N帧，其次，对N帧信号提取两个特征，即计算其短时能量E和短时过零率ZCR，同时根据N帧信号的能量获得门限值；接着将计算的短时能量和短时过零率与门限值比较，如果大于门限值，则含有有用信号，否则，不含有有用信号；最后，更新门限值；

短时能量和短时过零率两个特征的表达式如下，短时能量表达式为：x(n)表示单帧信号序列中的第n个值；短时过零率表达式为：sgn[·]表示符号函数。

7.根据权利要求6所述的跟随方法，其特征在于，当移动终端和移动智能车的初始距离小于r₀时，移动智能车才能跟随移动终端的移动，其中，L为麦克风阵列的孔径，λ为音频信号的波长。

8.根据权利要求6所述的跟随方法，其特征在于，所述滤波采用FIR滤波器进行滤波。

9.根据权利要求6所述的跟随方法，其特征在于，所述位置估计方法具体如下：

其中，θ_i和r_i分别为第i个信号到参考阵元的入射角和距离，c为声速，r_im为第i个信号与第m个阵元的距离，τ_im为第i个信号到达第m个阵元时相对于参考阵元的时延；第m个阵元的接收信号时域表示形式为：

其中，s_i(t)表示接收的第i个信号，n_m(t)是附加的高斯白噪声。将所有阵元输出写成向量形式，可得：

式中，N(t)＝[n₁(t),n₂(t),…,n_M(t)]^T是高斯白噪声，空间协方差矩阵为σ²I，a_i(θ_i,r_i,t)为第i个信号在M线阵上的近场导向矢量矩阵。

R＝E[X(t)X^H(t)]

其中，R是协方差矩阵，U_S、U_N分别为信号子空间和噪声子空间，它们各自特征向量对应的特征值组成的对角矩阵为Σ_S、Σ_N，P_MUSIC(θ)为谱峰搜索函数，通过搜索谱峰获得对应的方位角θ_i和距离r_i。