自適應(yīng)麥克風(fēng)陣列的聲音定位救援機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及災(zāi)難現(xiàn)場的自動搜尋技術(shù)，具體是一種自適應(yīng)麥克風(fēng)陣列的聲音定位救援機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]在地震、滑坡等自然災(zāi)害或者爆炸、礦井等事故中均會造成建筑物倒塌或地層塌陷，了解災(zāi)難現(xiàn)場有否被困人員及他們準(zhǔn)確位置，是成功營救的第一步。由于現(xiàn)場危險(xiǎn)且復(fù)雜，施救人員進(jìn)入現(xiàn)場往往難度較大，并且無法保證營救人員的安全。為此，在災(zāi)難現(xiàn)場多使用智能救援機(jī)器人，救援機(jī)器人能夠深入倒塌的建筑物內(nèi)進(jìn)行偵察，確定被困人員的位置，及時(shí)為搜救提供必要的準(zhǔn)確信息。
[0003]視覺定位是救援機(jī)器人對目標(biāo)定位的一種重要方式，但是視覺易受現(xiàn)場光線、障礙物和能見度限制，視覺定位的救援機(jī)器人無法完成災(zāi)難現(xiàn)場的全面搜索。
[0004]聽覺聲音定位不受光線、障礙物影響，且聲響數(shù)據(jù)相對于視頻定位所需處理的數(shù)據(jù)量大幅度減小，更適應(yīng)于資源有限的移動救援設(shè)備上安裝。且聲音可全方位定位，能為救援提供準(zhǔn)確位置信息。
[0005]現(xiàn)有的基于麥克風(fēng)陣列聲音定位技術(shù)，利用麥克風(fēng)陣列中各陣元的空間關(guān)系，結(jié)合聲音到達(dá)各麥克風(fēng)陣元的時(shí)間不同，對聲源進(jìn)行定位。目前的聲音定位技術(shù)主要為時(shí)延估計(jì)法，即計(jì)算聲源發(fā)出的聲音信號到達(dá)不同麥克風(fēng)陣元的時(shí)延估計(jì)值，結(jié)合陣列的空間結(jié)構(gòu)確定聲源的位置。顯然各陣元的時(shí)延估計(jì)值的精度直接決定目標(biāo)定位的精度。然而對于平臺資源有限的救援機(jī)器人，聲音定位中數(shù)據(jù)采樣率受到限制。在采樣率不變時(shí)，增大陣元間距，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)，進(jìn)而提高時(shí)延估計(jì)值精度，提高聲源定位的精度。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)固定。
[0006]2014年9月公開的中國實(shí)用新型專利CN104049235A “聲源定向裝置中的傳聲器陣列”，公開了一種幾何結(jié)構(gòu)可變的傳聲器陣列，包括四個(gè)傳聲器，其中三個(gè)傳聲器處于一個(gè)平面，另一傳聲器與該平面的夾角可改變。這種結(jié)構(gòu)通過改變第四個(gè)傳聲器與其它三個(gè)傳聲器平面的夾角，改變了陣列的空間結(jié)構(gòu)，從而可對目標(biāo)進(jìn)行多次定向，提升定向的準(zhǔn)確度。但其三個(gè)陣元間的相對距離固定不變，實(shí)際應(yīng)用中，第四個(gè)陣元更會增大陣列的線度。應(yīng)用到救援機(jī)器人中存在以下不足:
[0007]1、救援機(jī)器人在現(xiàn)場的移動中，常會遇到狹小通道與障礙物，麥克風(fēng)陣列尺寸大小受到限制，陣元間距固定，將會無法深入現(xiàn)場的內(nèi)部，影響搜尋效率；
[0008]2、救援機(jī)器人移動中常會遇到高度較小的狹小通道，其三個(gè)傳聲器構(gòu)成的三角形平面安裝位置只能盡量靠近機(jī)器人的本體，導(dǎo)致陣列接收到的聲源信號容易受到機(jī)器人的履帶和驅(qū)動電機(jī)的噪音影響，導(dǎo)致時(shí)延估計(jì)法得到的時(shí)延估計(jì)值精度大幅度降低，影響定位精度。
[0009]3、安裝第四個(gè)傳聲器S4的轉(zhuǎn)動桿的長度是一定的，該傳聲器與XOY平面的夾角改變時(shí)需要較大的豎直空間，當(dāng)機(jī)器人本體上方空間有限時(shí)，轉(zhuǎn)動桿難以轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)陣列的變化。
[0010]因此，需要一種能夠自適應(yīng)現(xiàn)場空間環(huán)境的麥克風(fēng)陣列的聲音定位救援機(jī)器人，以能及時(shí)對現(xiàn)場進(jìn)行全面搜索，實(shí)現(xiàn)對被困人員定位，提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息，為救援爭取寶貴時(shí)間。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)麥克風(fēng)陣列的聲音定位救援機(jī)器人，包括與主控單元連接的檢測前方、側(cè)方和上方障礙物避障模塊，調(diào)節(jié)麥克風(fēng)陣列平面高度的電動缸，還有調(diào)節(jié)各陣元間距的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，在通過狹小通道時(shí)，自適應(yīng)地減小陣元的間距和陣列平面的高度，以快速通過通道；在空間較大時(shí)，自動增大陣元間距離和陣列距離車體的高度，提高聲源定位精度。
[0012]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)麥克風(fēng)陣列的聲音定位救援機(jī)器人，包括帶有行走機(jī)構(gòu)的車體，設(shè)置在車體上的主控單元、聲音定位模塊和避障模塊，行走機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動電機(jī)和其驅(qū)動的行走機(jī)械裝置，所述行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)、避障模塊和聲音定位模塊均與主控單元連接。主控單元含有信號處理模塊，對麥克風(fēng)陣列的接收的聲音信號進(jìn)行處理、計(jì)算，求得聲源方位角，以此修正導(dǎo)航角。主控單元連接無線通訊模塊，該無線通訊模塊與救援機(jī)器人管理系統(tǒng)雙向無線通訊連接，接受救援機(jī)器人管理系統(tǒng)的指令，并將當(dāng)前運(yùn)行信息實(shí)時(shí)發(fā)送回救援機(jī)器人管理系統(tǒng)。
[0013]所述的避障模塊為超聲波檢測裝置，檢測車體周圍的障礙物的方向與距離，相關(guān)信號傳送到主控單元。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，所述的主控單元通過控制驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速來調(diào)整機(jī)器人行走的路線，同時(shí)判斷是否需要調(diào)整所述陣列的高度及陣元間距。
[0014]所述超聲波檢測裝置包括三組超聲波檢測器，第一組超聲波檢測器為I?2個(gè)超聲波檢測器，安裝于車體前面，其超聲波發(fā)射方向水平且與車體前進(jìn)方向平行，第二組超聲波檢測器為2?4個(gè)超聲波檢測器，安裝于車體側(cè)面，其超聲波發(fā)射方向水平且與車體前進(jìn)方向的夾角為35°?50°，即朝向車體兩側(cè)前方；第三組超聲波檢測器為I?3個(gè)超聲波檢測器，安裝于車體頂面，其超聲波發(fā)射方向與車體前進(jìn)方向的夾角為0°?50°，與車體豎直上方的夾角為35°?50°，即朝向車體前上方或側(cè)上方。
[0015]所述的聲音定位模塊包括了電動缸、支撐塊、支撐板、齒輪軸、上下齒輪、上下齒條導(dǎo)桿及麥克風(fēng)陣列。所述電動缸包括伺服電機(jī)和相配合的絲杠、絲母，絲母上固定推桿，伺服電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠帶動絲母和推桿直線運(yùn)動，絲杠可轉(zhuǎn)動地安裝在缸體內(nèi)。電動缸缸體固定于車體，車體處于水平位置時(shí)，推桿中心線與水平面垂直，推桿頂端固定安裝支撐塊，支撐塊上固定安裝支撐板，支撐板的表面與推桿中心線垂直。齒輪軸中心線與電動缸的推桿中心線重合，齒輪軸下端可轉(zhuǎn)動地安裝于支撐塊，上端穿過支撐板。步進(jìn)電機(jī)與齒輪軸驅(qū)動連接。處于支撐板上方的上齒輪和處于支撐板下方的下齒輪均固定安裝于齒輪軸，處于支撐板上方的2根平行的上齒條導(dǎo)桿分別與上齒輪嚙合，處于支撐板下方的2根平行的下齒條導(dǎo)桿分別與下齒輪嚙合。下齒條導(dǎo)桿在上齒條導(dǎo)桿所處平面上的投影與上齒條導(dǎo)桿垂直。在2根上齒條導(dǎo)桿和2根下齒條導(dǎo)桿的外端各固定安裝一個(gè)麥克風(fēng)陣元。在2根上齒條導(dǎo)桿和2根下齒條導(dǎo)桿的外端各固定向下或向上的支桿，麥克風(fēng)陣元固定于支桿，4個(gè)麥克風(fēng)陣元處于同一平面上，當(dāng)車體處于水平位置時(shí)，該平面與水平面平行。4個(gè)麥克風(fēng)陣元處于矩形的四個(gè)角上，構(gòu)成十字交叉陣列。各麥克風(fēng)陣元的信號輸出端與主控單元連接。
[0016]左、右麥克風(fēng)陣元的最小間距等于車體寬度。
[0017]主控單元的控制信號輸出端連接所述電動缸的伺服電機(jī)與驅(qū)動齒輪軸的步進(jìn)電機(jī)。
[0018]所述電動缸伺服電機(jī)連接內(nèi)置電位計(jì)，齒輪軸通過調(diào)節(jié)裝置連接外置電位計(jì)，內(nèi)置電位計(jì)和外置電位計(jì)的輸出信號接入主控單元，反饋電動缸的高度位移和齒輪軸的轉(zhuǎn)動角度，即上下齒條導(dǎo)桿的水平位移。
[0019]所述上齒條導(dǎo)桿和下齒條導(dǎo)桿，沿長度方向分為兩部分，一部分為齒條，另一部分為無齒的導(dǎo)桿。支撐板上表面固定有對應(yīng)于2根上齒條導(dǎo)桿的導(dǎo)槽，導(dǎo)槽為門形過孔，每根上齒條導(dǎo)桿的導(dǎo)桿部分穿過一個(gè)導(dǎo)槽，齒條部分與上齒輪嚙合。導(dǎo)槽確保上齒條導(dǎo)桿在支撐板上表面上直線移動。與其相似支撐板下表面固定有對應(yīng)于2根下齒條導(dǎo)桿的門形過孔導(dǎo)槽，每根下齒條導(dǎo)桿的導(dǎo)桿部分