[發明專利]分布式聲源探測方法及基于該方法的聲音探測機器人

有效

• 申請號: 201711221413.2
• 申請日: 2017-11-29
• 公開（公告）號: CN108089154B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 陳建峰;祁文濤;戚茜;李曉強;閆青麗;周榮艷
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22;B25J11/00;B25J19/02
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發明涉及一種分布式聲源探測方法及基于該方法的聲音探測機器人，相比傳統單機器人聲源探測系統，基于分布式聲源定位技術的多機器人協同聲源探測系統具有探測范圍較大，探測精度較高，環境適應性和容錯性強等優勢，作為群體機器人環境感知的新手段，大大提高機器人環境感知能力，為智能機器人編隊協作奠定了良好基礎。

技術領域

本發明涉及一種分布式聲源探測方法及基于該方法的聲音探測機器人系統的設計與實現。

背景技術

近年來，智能移動機器人技術得到了蓬勃發展，圖像和聲音作為機器人感知環境最主要的兩種方式，都存在一些不足。具體而言，基于圖像的環境感知技術存在數據量大，易受光線影響，探測視角、距離有限等問題，而現有基于聲音的環境感知技術存在探測范圍有限，抗干擾能力差，可靠性弱等問題。因此，研究穩健、精確的機器人聲音感知技術對提高機器人的性能具有重要的意義。

機器人聲音感知技術的主要任務是讓機器人實時，準確的對環境中的聲音信息做出判斷，得到目標相對自身的空間位置，即聲源定位。現有的機器人聲源定位系統絕大多數是基于單一機器人平臺與麥克風陣列聲源定位技術的系統。這類系統一定程度上實現了對聲源目標的定向，但受限于單個機器人平臺的結構和尺寸，麥克風的尺寸不能過大，導致機器人聲源定位系統的探測范圍小，精度低，可靠性不高，在遠場情況下只能得到聲源的方向，而無法實現精確的聲源定位。

分布式聲源定位技術是利用無線傳感器網絡，融合空間上多個分離麥克風陣列的數據，協同定位的聲源定位新方法，相比單一陣列的聲源定位系統有效提高了探測范圍，定位精度，單個陣列損壞不會導致整個系統功能癱瘓，可靠性強，總體而言克服了單個麥克風陣列存在的不足。

多機器人編隊協同是機器人領域目前的研究熱點，在體系結構和硬件資源方面與分布式聲源定位技術有很多共同點。通過查閱現有資料和論文發現，目前基于分布式聲源定位方法的多機器人協同聲源探測技術尚未有相關研究和應用。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對現有技術存在的不足，以及智能機器人在聲音感知方面的需求，提出結合分布式聲源定位技術和機器人編隊協同技術在通信體系，硬件資源上的共同點，提出了基于多機器人系統的分布式聲源探測新方法，該方法優化和增強現有機器人對聲源目標的探測能力，使多個機器人可以完成更加復雜的協作功能，該技術可以應用于軍事，工業生產和家庭機器人等諸多方面，具有廣闊的應用前景。

本發明的技術方案是：一種分布式聲源探測新方法，其特征在于：

該方法基于由1臺監控計算機和若干個聲音探測機器人組成的多機器人編隊協同聲源探測系統，該方法包括以下步驟。

步驟一，系統布局：將M(≥3)個聲音探測機器人按最優布局方法分散擺放至需要監測的區域，監控計算機置于區域內或區域外d米以內(d≤500)。所述的機器人最優布局方法定義如下：

根據需要監測區域的特點和編隊中機器人的數量，系統最優布局指的是在二維平面內布局時，使相鄰機器人之間連線組成的幾何圖形趨于正多邊形，例如當系統包含 3個機器人時，則采用等邊三角形陣列布局，在現場條件允許且滿足系統信噪比要求的情況下，盡量分散。

步驟二，角色分配：M(≥3)個聲音探測機器人按照角色劃分規則劃分為1個隊長機器人和M-1個從屬機器人，組成機器人編隊。其中隊長機器人作為編隊的通信和數據處理中心，隊長機器人通過無線通信與各個從屬機器人交互。所述的角色劃分規則定義如下：

各個機器人在上電之后，進行系統初始化，在系統初始化階段通過傳感器系統感知自身位置，航向信息，采集自身所處區域的環境噪聲大小；各個機器人在初始化結束后分別將上述信息上傳到監控計算機；