1.本发明涉及机器人声源定位技术领域，具体是一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法。
背景技术：2.随着移动机器人技术的飞速发展，机器人在社会生活中普及度越来越高，人们对其定位声源的准确性和便捷性也提出了更高的要求。因此，为其匹配声源定位算法实现高精度定位是现今机器人听觉技术领域的一个重要研究课题。
3.目前，针对移动机器人声源定位的研究主要集中在应用麦克风阵列的时延估计法。例如，中国发明专利说明书cn103995252b中公开的“一种三维空间声源定位方法”，通过双l型麦克风阵列采集一段目标声源信号，采用修正的归一化多通道频域最小均方方法估计声源到达各麦克风时延差，利用时延差和麦克风阵列几何关系，确定声源位置坐标。此方法采用静态的、多麦克风阵列进行空间声源定位，机器人静止时定位精度较高，但不适用于机器人移动条件下的声源定位。
4.除了应用麦克风阵列的时延估计法，还有其它行之有效的机器人声源定位方法。譬如，文献“基于声压幅度比的声源定位”(计算机仿真第21卷第11期)中提出的基于压幅比的平面声源定位算法，通过搭建二维麦克风阵列和构造声压幅度比约束方程，引入压幅比参量来去除虚假定位，得到声源的实际位置。此声源定位算法能够很好地实现二维平面声源位置定位，但没有深入研究三维空间声源定位。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是突破移动机器人依靠单麦克风不能实现空间声源定位的局限，提供一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，包括：
8.s1.在移动机器人上装置一支麦克风，机器人沿某一直线路径移动一段距离，然后沿着与第一条直线路径成θ角的第二条直线路径移动，在两条机器人移动的直线路径上分别设置若干等距麦克风信号检测点，麦克风测得信号检测点的信号声压；
9.s2.根据麦克风所测信号声压与输出电压间的传递特性，将麦克风在信号检测点测得的信号声压转换为输出电压；根据各信号检测点麦克风输出电压与声源至各点距离的平方成反比，建立压幅比关系式；
10.s3.根据各信号检测点位置关系和压幅比关系式，确定被测声源在三维空间中的位置，求得被测声源相对于移动机器人的方位角、俯仰角和距离。
11.进一步的，步骤s1具体包括：
12.s101.将一支麦克风竖直布置在移动机器人上方，且其四周不被移动机器人零部件遮挡；分别在第一条直线路径和第二条直线路径等间距设置四个信号检测点，利用麦克
风测得信号声压；声音能量随传播距离的增加而逐渐衰减，声压幅度亦随之减小；声压与距离的关系表达式为：
[0013][0014]
其中，r0为声源至毗邻媒质位置的传播距离；p0为毗邻媒质位置的初始声压；r为传播距离；p为传播距离r后的声压；ω为简谐振动角频率；k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数；常数e是自然对数的底数；j是虚数的单位；t表示时间；
[0015]
s102.通过麦克风采集信号声压p
mn
{p
11
，p
12
，p
13
，p
14
，p
21
，p
22
，p
23
，p
24
}，其中m表示第m条直线路径，n表示第n个信号检测点，p
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点采集的信号声压。
[0016]
进一步的，步骤s2具体包括：
[0017]
s201.将麦克风在两条直线路径下测得的信号声压转换为输出电压；转换关系式为：
[0018]
u(t)＝βp(t)sinγ
[0019]
其中，β为麦克风测得信号声压与输出电压间传递特性；u为输出电压；p为传播距离r后的声压；γ为声源信号相对于麦克风中心移动平面的夹角；
[0020]
麦克风的输出电压e
mn
{u
11
，u
12
，u
13
，u
14
，u
21
，u
22
，u
23
，u
24
}，其中e
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点麦克风输出电压；
[0021]
s202.根据各信号检测点相对声源距离和麦克风输出电压的对应变化关系，建立压幅比关系式：
[0022][0023]
上式为压幅比关系式，即不同信号检测点麦克风电压输出比值表达式。
[0024]
进一步的，步骤s3具体包括：
[0025]
s301.声源的空间坐标为(xs，ys，zs)，第一条和第二条直线路径上信号检测点空间坐标已知为(x
mn
，y
mn
，z
mn
)，声源与各信号检测点的距离r
mn
{r
11
，r
12
，r
13
，r
14
，r
21
，r
22
，r
23
，r
24
}，由空间几何关系可列出以下方程组：
[0026][0027]
s302.建立相邻检测点压幅比表达式方程组：
[0028][0029]
求解上述方程组，得到声源的空间坐标(xs，ys，zs)，即求得声源的空间位置。
[0030]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0031]
使用移动机器人结合基于单麦克风压幅比的空间声源定位算法实现精准的三维空间声源定位，即应用可移动单麦克风采集不同信号检测点处声源信号，基于空间声场中声压与距离的准则，从麦克风的输出电压幅与声源距离变化之间的关系出发，建立空间声源定位几何模型和算法，计算得到声源空间坐标，以及声源相对于移动机器人的方位角、俯仰角和距离。
[0032]
本发明方法用到的麦克风的使用数量少，在移动过程中精确定位到声源，应用于三维空间，计算量小。建立了空间声源定位几何模型和算法；降低了空间声源定位的实施难度，克服了移动机器人依靠单麦克风无法实现空间声源定位的缺陷。
附图说明
[0033]
图1是本发明提供的移动机器人行驶轨迹示意图。
[0034]
图2是本发明提供的空间声源定位原理图。
[0035]
图3是本发明提供的二维平面声源定位原理图。
[0036]
图4是本发明提供的空间声源位置轨迹示意图。
具体实施方式
[0037]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]
图1所示实施例中，给出在绝对坐标系xoy下的机器人位姿。机器人移动速度为vr，轮距为2a，麦克风置于移动机器人两轮中心r正上方，其四周不被机器人零部件遮蔽。转向前，机器人前进方向与x轴正方向平行，记为第一条直线路径；转向后，机器人朝向与x轴正方向夹角为记为第二条直线路径。
[0039]
图2所示空间声源定位模型示意图中，在第一条直线路径上等间距设置四个麦克风信号检测点b1、b2、b3、b4；在第二条直线路径上等间距设置四个麦克风信号检测点d1、d2、d3、d4。声源与各信号检测点的距离r
mn
{r
11
，r
12
，r
13
，r
14
，r
21
，r
22
，r
23
，r
24
}，麦克风在各信号检测点处测得声源信号声压，声音能量随传播距离增加逐渐衰减，声压幅度亦随之减小。声压与距离的关系表达式为：
[0040]
[0041]
其中，r0为声源至毗邻媒质位置的传播距离；p0为毗邻媒质位置的初始声压；r为传播距离；p为传播距离r后的声压；ω为简谐振动角频率；k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数；常数e是自然对数的底数；j是虚数的单位；t表示时间。
[0042]
通过麦克风采集信号声压p
mn
{p
11
，p
12
，p
13
，p
14
，p
21
，p
22
，p
23
，p
24
}，其中m表示第m条直线路径，n表示第n个信号检测点，p
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点采集的信号声压。
[0043]
根据麦克风所测信号声压与输出电压间的传递特性，将麦克风在两条直线路径下的信号检测点测得的信号声压转换为输出电压，其转换关系式为：
[0044]
u(t)＝βp(t)sinγ
[0045]
其中，β为麦克风测得信号声压与输出电压件传递特性；u为输出电压；γ为信号相对于麦克风中心移动平面的夹角。
[0046]
麦克风的输出电压e
mn
{u
11
，u
12
，u
13
，u
14
，u
21
，u
22
，u
23
，u
24
}，其中e
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点麦克风输出电压。
[0047]
进一步，根据各信号检测点相对声源距离和麦克风输出电压的对应变化关系，建立压幅比关系式：
[0048][0049]
上式称为压幅比关系式，即不同信号检测点麦克风电压输出比值表达式，由上式可知各信号检测点的麦克风输出电压与相对声源距离的平方成反比。
[0050]
图3所示为声源s与b1～b4所在平面x
′o′y′
声源定位示意图，其中，声源坐标(x
′
，y
′
)，b1、b2、b3、b4坐标分别为(b，0)、(2b，0)、(3b，0)、(4b，0)。则第一条直线路径四个信号检测点至声源距离表示为：
[0051][0052]
由压幅比关系式可知，各信号检测点麦克风电压输出与声源至各点距离的平方成反比。建立压幅比方程组：
[0053][0054]
求解上述方程组得到平面x
′o′y′
中声源坐标(x
′
，y
′
)。
[0055]
[0056][0057]
通常，得到的二维平面声源坐标解有两个。(x
′
，y
′
)是计算过程的中间变量，后续三维空间定位需带入x
′
和y
′2，因此y
′
的正负不影响最终结果。同理，在声源s与d1～d4所在平面中，根据第二条直线路径四个信号检测点至声源距离和压幅比关系式，求解得到在平面x
″o″y″
中声源坐标(x
″
，y
″
)。
[0058]
图4为声源在x
″′s″y″′
平面的位置轨迹图，其中s
′
、s
″
分别是声源s在x
′o′y′
平面和x
′
轴上的投影点。可知，声源位于以s
″
为圆心，|ss
″
|为半径的圆周轨迹上。轨迹方程为：
[0059]
x
″′2+y
″′2＝|ss
″
|2[0060]
基于第一条直线路径，由空间声源定位模型示意图可知，声源坐标xs在数值上与|o
′s″
|相等，即：
[0061]
xs＝x
′
[0062]
基于第二条直线路径，声源坐标ys在数值上与|s
′s″
|相等，由几何关系得：
[0063][0064]
其中，|s
″
g|的值随两条路径交点而变化。将声源ys坐标代入轨迹方程，得到：
[0065][0066]
则空间声源坐标(xs，ys，zs)确定，由此完成基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位。
[0067]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，其特征在于，包括：s1.在移动机器人上装置一支麦克风，机器人沿某一直线路径移动一段距离，然后沿着与第一条直线路径成θ角的第二条直线路径移动，在两条机器人移动的直线路径上分别设置若干等距麦克风信号检测点，麦克风测得信号检测点的信号声压；s2.根据麦克风所测信号声压与输出电压间的传递特性，将麦克风在信号检测点测得的信号声压转换为输出电压；根据各信号检测点麦克风输出电压与声源至各点距离的平方成反比，建立压幅比关系式；s3.根据各信号检测点位置关系和压幅比关系式，确定被测声源在三维空间中的位置，求得被测声源相对于移动机器人的方位角、俯仰角和距离。2.根据权利要求1所述一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，其特征在于，步骤s1具体包括：s101.将一支麦克风竖直布置在移动机器人上方，且其四周不被移动机器人零部件遮挡；分别在第一条直线路径和第二条直线路径等间距设置四个信号检测点，利用麦克风测得信号声压；声音能量随传播距离的增加而逐渐衰减，声压幅度亦随之减小；声压与距离的关系表达式为：其中，r0为声源至毗邻媒质位置的传播距离；p0为毗邻媒质位置的初始声压；r为传播距离；p为传播距离r后的声压；ω为简谐振动角频率；k为简谐振动角频率与声速之比，称为波数；常数e是自然对数的底数；j是虚数的单位；t表示时间；s102.通过麦克风采集信号声压p
mn
{p
11
，p
12
，p
13
，p
14
，p
21
，p
22
，p
23
，p
24
}，其中m表示第m条直线路径，n表示第n个信号检测点，p
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点采集的信号声压。3.根据权利要求1所述一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，其特征在于，步骤s2具体包括：s201.将麦克风在两条直线路径下测得的信号声压转换为输出电压；转换关系式为：u(t)＝βp(t)sinγ其中，β为麦克风测得信号声压与输出电压间传递特性；u为输出电压；p为传播距离r后的声压；γ为声源信号相对于麦克风中心移动平面的夹角；麦克风的输出电压e
mn
{u
11
，u
12
，u
13
，u
14
，u
21
，u
22
，u
23
，u
24
}，其中e
mn
表示移动机器人在第m条直线路径上第n个信号检测点麦克风输出电压；s202.根据各信号检测点相对声源距离和麦克风输出电压的对应变化关系，建立压幅比关系式：上式为压幅比关系式，即不同信号检测点麦克风电压输出比值表达式。4.根据权利要求1所述一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，其特征在于，步骤s3具体包括：s301.声源的空间坐标为(x
s
，y
s
，z
s
)，第一条和第二条直线路径上信号检测点空间坐标
已知为(x
mn
，y
mn
，z
mn
)，声源与各信号检测点的距离r
mn
{r
11
，r
12
，r
13
，r
14
，r
21
，r
22
，r
23
，r
24
}，由空间几何关系可列出以下方程组：s302.建立相邻检测点压幅比表达式方程组：求解上述方程组，得到声源的空间坐标(x
s
，y
s
，z
s
)，即求得声源的空间位置。
技术总结本发明公开一种基于单麦克风压幅比的移动机器人空间声源定位方法，包括：S1.在移动机器人上装置一支麦克风，机器人沿某一直线路径移动一段距离，然后沿着与第一条直线路径成θ角的第二条直线路径移动，在两条机器人移动的直线路径上分别设置若干等距麦克风信号检测点，麦克风测得信号检测点的信号声压；S2.根据麦克风所测信号声压与输出电压间的传递特性，将麦克风在信号检测点测得的信号声压转换为输出电压；根据各信号检测点麦克风输出电压与声源至各点距离的平方成反比，建立压幅比关系式；S3.根据各信号检测点位置关系和压幅比关系式，确定被测声源在三维空间中的位置，求得被测声源相对于移动机器人的方位角、俯仰角和距离。距离。距离。
技术研发人员：郑仁成 范朝阳 郑凯 李硕 刘立发 黄良炆
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.05.10
技术公布日：2022/7/5
