基于机器人听觉的声源定位策略

《基于机器人听觉的声源定位策略》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、基于机器人听觉的声源定位策略*吕晓玲张明路河北工业人学机械工程学院，天津300130摘要：针对机器人听觉定位，提出了五个传声器阵列作为机器人的耳朵，其中四个传声器组成的平面阵确定声源空间位置，另外一个传声器辅助实现声源位于机器人前后方的判断，并在改进的时延算法上实现对声源的空间定位。系统在室内环境下测试，实验结果证明在混响环境下机器人可以实现空间声源定位，该方法具冇实时实现的冇效性和应用性。关键词：机器人听觉，传声器阵列，声源定位，时延随着各国对国家女全、社会治女等公共事业的高度重视，以防暴、反恐、消防灭火、排险救援等为特征的危险作业移动机器人的盂求FI益凸现⑴

2、。如何实现移动机器人对可疑声源的准确判断，在特殊环境屮获取kl标声源方向为打击武器进行自动II曲准等T作就显得很重耍，对于保障人民生命财产安全，促进经济社会的和谐发展具有重大现实意义。听觉是人类和机器人识别周围环境的很重要的感知能力，尽管听觉定位精度比视觉定位精度低很多，但是听觉有很多其他感官无可比拟的特性。听觉定位是全向性的，1机器人系统本文研究对象是多感官履带式移动机器人，多感官履带式移动机器人由履带式移动机器人本体和四口山度拟人机器人头部系统组合而成。机器人具有立体视觉、听觉及嗅觉感官功能，•口•都集中于头部系统中。机器人听觉山5个传声器组成的阵列构成，

3、其中四个传声器（Mi〜M4）布装在机器人拟人头部前而正方形四个顶点位置上，M5布装在机器人头部的后侧和M4相对于机器人头部水平旋转中心轴对称，如图1所示。感官头部系图1多感官履带式移动机器人传声器阵列可以接受空间中的任何方向的声音。机器人依靠听觉可以工作在黑暗环境传尸希中或者光线很暗的环境中定位声源，这些依阵列靠视觉是不能实现的。H前，此类研究大部分限于理论研究或是针对声源定位过程中的部分子问题开展相关的科学研究。现冇的传声器阵列与机器人结合的毬少，迸沮具有很型局限性，例如，镒般人If歸嗨糊X娜计划）“面成的阵列进行翹翹躋锲吧m鹽斜）数量太多，结构复杂，用在机器

4、人的头部既不实际也没必要;又如,K.Nakadai等人提出的一种用两个传声器作为机器人的左右耳的声源定位的方法［习，只有两个传声器组成的线阵不能进行声源的空间定位，不能满足实际需要。针对上述问题，本文提出了融合五元传声器阵列组成的机器人耳朵和改进时延算法的声源定位略策。(3)(4)2基于机器人听觉的声源定位策略2.1麦克风阵列的选择研究表明，由N个传声器纽成的阵列可以得到N・1个时延"7】，因此确定空问屮的日标位置至少需要4个传声器。所以本文选定rh5个传声器组成的阵列作为声源的定位阵列，其中4个传声器组成的平面阵用來确定目标在空间中的位置，另外一•个传声器可以

5、辅助判断Id标在机器人的前方还是后方。这样既可以实现空间定位，完成任务，计算量也不大，対于实现实时的定位有很大的帮助。2.2声源定位方法声源定位有很多种算法，考虑到系统对实时实现要求较高，选择棊于时延的定位方法吧该方法分为时延估计和定位两大步骤，其中各传声器对之间的声源信号到达时延估计的精度是关系到下阶段声源定位精确与否的关键因素。兀心)和x2(n)为两个传声器的接收信号，x}(/?)和x2(n)的相关函数为/?严(r),Rxx(q)的最人值対应的r就是两个传声器间的时延耳2。通过求两信号Z间的互功率谱，并在频域内给予一定的加权，來对信号和噪声进行口化处理，增强

6、信号中信噪比较髙的频率成分，从而抑制噪声的影响，再反变换到吋域，得到两信号ZI'可的广义互相关函数。由互相关函数与互功率谱的关系【⑼可得：&七C)宓)X；(噪一加伽=^Gxl(co)e~^dco(1)其中Xg)和X2(co)分别为西⑴和兀2(/)的傅立叶变换，G12(^)为两传声器接收信号的互功率谱。两传声器信号的广义互相关函数可以表示为：其中$2(0＞为频域加权函数，广义相关函数的峰值对应着时延厂。针对不同的噪声和反射情况，可以选择不同的加权函数，使(r)具有比校尖锐的峰值。我们选择互功话•谱相位的加权函数为：$5式(2)变为F式：比,(C"MO■-右2)上式

7、表明，该加权函数起到了很好的锐化作用，而口经过加权的互功率谱近似丁•单位冲激响应的表达式，因此在混响比较弱时，该方法木身就对混响有一•定的抑制作用。但是在实际环境中，由于噪声的存在以及噪声本身的相关性，噪声互功率谱不为零，而且房间还存在比较强的混响，这都会大大影响了实验结果。本文提出针对上述问题的改进。首先针对噪声互功率谱不为零的悄况，在实际中可在无音段估计出噪声互功率谱，然后从信号的互功率谱中减去噪声谱，从I佃减弱噪声的影响。另外对加权函数加以修正，乘上一个加权因子7则式(3)为：#12(0)二_也2@)

8、⑸使也2(劲

9、为房间混响的直接部分,这样就可以起到比较

10、好的抗混响效果。加权因子