一種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能的聲源定位處理模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，具體是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能的聲源定位處理 模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和多媒體處理技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)機(jī)器人功能的要求越來(lái) 越高，期望機(jī)器人能"聽(tīng)"、能"看"、能"動(dòng)"。機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，主人通過(guò)語(yǔ)音給機(jī)器人 發(fā)送指令，機(jī)器人通過(guò)聲源定位技術(shù)估算出主人的位置方向，然后控制自己轉(zhuǎn)動(dòng)使正面面 向主人所有的位置，進(jìn)一步，如果聽(tīng)說(shuō)主人"過(guò)來(lái)"的指令，機(jī)器人將走向主人所在的位置。 通過(guò)聲源定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)功能。
[0003] 聲源定位的基本原理，就是將采集聲音信號(hào)的傳聲器在空間上布成一定拓?fù)浣Y(jié)果 的接收陣列，傳聲器工作在被動(dòng)接收的狀態(tài)下，接收來(lái)自目標(biāo)聲場(chǎng)的聲音信息并采用一定 的算法對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行處理，從而估計(jì)出目標(biāo)聲源在空間上的位置和運(yùn)動(dòng)速度等信息。聲 波到達(dá)傳聲器陣列中各個(gè)陣元的時(shí)間和角度不同，則導(dǎo)致不同陣元之間接收到的聲音信號(hào) 在時(shí)間上存在差值，即通常所說(shuō)的時(shí)間延時(shí)。聲源定位技術(shù)正是利用對(duì)這些時(shí)延信息進(jìn)行 處理，最后估算出聲源的位置和方向信息，即實(shí)現(xiàn)聲源定位。
[0004] 聲源定位技術(shù)就是通過(guò)具有一定幾何關(guān)系的麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，通過(guò)數(shù)字信號(hào) 處理得到聲源在某一參考坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定 位技術(shù)已經(jīng)有了一些比較成熟的理論和方法。技術(shù)大體上可以分為兩類：（1)基于最大輸 出功率的可控波束形成技術(shù)；（2)高分辨率譜估計(jì)技術(shù)。其中，基于最大輸出功率的可控波 束形成技術(shù)是對(duì)陣列中具有一定幾何關(guān)系陣元的輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理形成波束，波束最 大功率輸出點(diǎn)即聲源在參考域的位置。然而，這種處理方式存在計(jì)算復(fù)雜，運(yùn)算量過(guò)大，定 位計(jì)算所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適合實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等缺陷；高分辨率譜估計(jì)技術(shù)需要對(duì)矩陣進(jìn)行 特征值分解，因此運(yùn)算量較大，計(jì)算時(shí)間也非常大，通常需要使用計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)算，也不適合 應(yīng)用于實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)上述【背景技術(shù)】中指出現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，現(xiàn)提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能 的聲源定位處理模塊，本實(shí)用新型的聲源定位處理模塊通過(guò)聲源定位技術(shù)，彌補(bǔ)了機(jī)器人 在其它系統(tǒng)如視覺(jué)，觸覺(jué)等上的不足，可以更好的獲取周圍環(huán)境的信息，提高環(huán)境適應(yīng)性， 提高機(jī)器人的智能性能，適合大量應(yīng)用于實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采 用的技術(shù)方案是這樣的：
[0006] -種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能的聲源定位處理模塊，包括4個(gè)麥克風(fēng)陣列、前置放大 電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊以及機(jī)器人主處理器，所述前置放大電路模塊通過(guò)4個(gè) 麥克風(fēng)陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，所述FPGA模塊位于A/D轉(zhuǎn)換模塊和機(jī)器人主處理器之 間。
[0007] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案進(jìn)一步還包括：
[0008] 所述4個(gè)麥克風(fēng)陣列采用四元十字陣列方式，且四個(gè)麥克風(fēng)按照十字的方式擺布 在一個(gè)平面之內(nèi)。
[0009] 所述FPGA模塊包括4個(gè)子模塊，分別是聲源信號(hào)采集模塊、時(shí)延計(jì)算模塊、定位計(jì) 算模塊和結(jié)果輸出模塊。
[0010] 所述聲源信號(hào)采集模塊按照20KHz的采樣率控制AD轉(zhuǎn)換，聲源信號(hào)采集模塊完成 各個(gè)模塊的初始化控制。
[0011] 所述結(jié)果輸出模塊通過(guò)串口輸出目標(biāo)聲源的方向和距離給機(jī)器人主處理器，串口 采用9600的波特率傳輸方式。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型取得的有益技術(shù)效果為：本實(shí)用新型的聲源定位處 理模塊通過(guò)聲源定位技術(shù)，彌補(bǔ)了機(jī)器人在其它系統(tǒng)如視覺(jué)，觸覺(jué)等上的不足，可以更好的 獲取周圍環(huán)境的信息，提高環(huán)境適應(yīng)性，提高機(jī)器人的智能性能，適合大量應(yīng)用于實(shí)時(shí)定位 系統(tǒng)。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本實(shí)用新型聲源定位處理模塊的硬件框圖。
[0014] 圖2為本實(shí)用新型聲源定位處理模塊中FPGA模塊的流程圖。
[0015] 圖3為本實(shí)用新型聲源定位處理模塊的麥克風(fēng)擺布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面將結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017] 請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型聲源定位處理模塊包括4個(gè)麥克風(fēng)陣列、前置放大電路模 塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊以及機(jī)器人主處理器，其中前置放大電路模塊通過(guò)4個(gè)麥克風(fēng) 陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，F(xiàn)PGA模塊位于A/D轉(zhuǎn)換模塊和機(jī)器人主處理器之間。本實(shí)用 新型聲源定位處理模塊的工作原理如下：4個(gè)麥克風(fēng)陣列用于接收聲音信號(hào)，把目標(biāo)聲音 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前置放大電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入 FPGA(可編程邏輯器件）做信號(hào)處理，F(xiàn)PGA模炔基于廣義互相關(guān)法到達(dá)時(shí)延差算法進(jìn)行各 個(gè)麥克風(fēng)之間的時(shí)延參數(shù)計(jì)算，最后根據(jù)空間定位方法計(jì)算出目標(biāo)聲源的方向和位置并輸 出給機(jī)器人主處理器。
[0018] 請(qǐng)參閱圖2、圖3,其中FPGA模塊包含4個(gè)子模塊，分別是聲源信號(hào)采集模塊、時(shí)延 計(jì)算模塊、定位計(jì)算模塊和結(jié)果輸出模塊。聲源信號(hào)采集模塊完成各個(gè)模塊的初始化控制 以及按照20KHz的采樣率控制AD轉(zhuǎn)換；時(shí)延計(jì)算模炔基于廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法計(jì)算兩個(gè) 麥克風(fēng)之間的聲音時(shí)延，該方法需要計(jì)算兩個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)幅值（或相位）的互相 關(guān)函數(shù)的峰值偏移量，再根據(jù)對(duì)信號(hào)的采樣頻率，就可以估算出時(shí)間延遲。
[0019] 本實(shí)用新型的4個(gè)麥克風(fēng)的擺布采用四元十字陣列方式，如圖3所示，將四個(gè)麥克 風(fēng)按照十字的方式擺布在一個(gè)平面之內(nèi)。其中S代表聲源的位置，Ml，M2,M3,M4分別為四 元十字陣列中四個(gè)陣元的位置。我們假設(shè)以Χ0Υ平面為地面，則聲源信號(hào)就假設(shè)在平面的 上方。這樣目標(biāo)方位角為氣聲源仰角為Θ。r為目標(biāo)聲源到坐標(biāo)原點(diǎn)0的距離，使用tl] 表示兩個(gè)麥克風(fēng)器％與Mj接收到聲音的時(shí)間差。根據(jù)下述的方程式分別計(jì)算出目標(biāo)聲源 的方位角，，仰角Θ以及距離r [0020]
[0021] 然后再將結(jié)果輸出模塊通過(guò)串口輸出目標(biāo)聲源的方向和距離給機(jī)器人主處理器， 串口采用9600的波特率傳輸方式。
[0022] 以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)下所作出的等同或者 可以預(yù)料的實(shí)施方式，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能的聲源定位處理模塊，其特征在于，包括4個(gè)麥克風(fēng)陣列、 前置放大電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊以及機(jī)器人主處理器，所述前置放大電路模塊 通過(guò)4個(gè)麥克風(fēng)陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，所述FPGA模塊位于A/D轉(zhuǎn)換模塊和機(jī)器人主處 理器之間，所述FPGA模塊包括4個(gè)子模塊，分別是聲源信號(hào)采集模塊、時(shí)延計(jì)算模塊、定位 計(jì)算模塊和結(jié)果輸出模塊。2. 如權(quán)利要求1所述的聲源定位處理模塊，其特征在于，所述4個(gè)麥克風(fēng)陣列采用四元 十字陣列方式，且四個(gè)麥克風(fēng)按照十字的方式擺布在一個(gè)平面之內(nèi)。3. 如權(quán)利要求1所述的聲源定位處理模塊，其特征在于，所述聲源信號(hào)采集模塊按照 20kHz的采樣率控制AD轉(zhuǎn)換，聲源信號(hào)采集模塊完成各個(gè)模塊的初始化控制。4. 如權(quán)利要求1所述的聲源定位處理模塊，其特征在于，所述結(jié)果輸出模塊通過(guò)串口 輸出目標(biāo)聲源的方向和距離給機(jī)器人主處理器，串口采用9600的波特率傳輸方式。
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，具體為一種實(shí)現(xiàn)機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)功能的聲源定位處理模塊，包括4個(gè)麥克風(fēng)陣列、前置放大電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA模塊以及機(jī)器人主處理器，所述前置放大電路模塊通過(guò)4個(gè)麥克風(fēng)陣列與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，所述FPGA模塊位于A/D轉(zhuǎn)換模塊和機(jī)器人主處理器之間。本實(shí)用新型的聲源定位處理模塊通過(guò)聲源定位技術(shù)，彌補(bǔ)了機(jī)器人在其它系統(tǒng)如視覺(jué)，觸覺(jué)等上的不足，可以更好的獲取周圍環(huán)境的信息，提高環(huán)境適應(yīng)性，提高機(jī)器人的智能性能，適合大量應(yīng)用于實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。
【IPC分類】G01S5/22
【公開(kāi)號(hào)】CN205067729
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520618654
【發(fā)明人】文康益, 莊永軍, 梁磊, 徐東群
【申請(qǐng)人】旗瀚科技股份有限公司
【公開(kāi)日】2016年3月2日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日