自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及灾难现场的自动搜寻技术，具体是一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在地震、滑坡等自然灾害或者爆炸、矿井等事故中均会造成建筑物倒塌或地层塌陷，了解灾难现场有否被困人员及他们准确位置，是成功营救的第一步。由于现场危险且复杂，施救人员进入现场往往难度较大，并且无法保证营救人员的安全。为此，在灾难现场多使用智能救援机器人，救援机器人能够深入倒塌的建筑物内进行侦察，确定被困人员的位置，及时为搜救提供必要的准确信息。
[0003]视觉定位是救援机器人对目标定位的一种重要方式，但是视觉易受现场光线、障碍物和能见度限制，视觉定位的救援机器人无法完成灾难现场的全面搜索。
[0004]听觉声音定位不受光线、障碍物影响，且声响数据相对于视频定位所需处理的数据量大幅度减小，更适应于资源有限的移动救援设备上安装。且声音可全方位定位，能为救援提供准确位置信息。
[0005]现有的基于麦克风阵列声音定位技术，利用麦克风阵列中各阵元的空间关系，结合声音到达各麦克风阵元的时间不同，对声源进行定位。目前的声音定位技术主要为时延估计法，即计算声源发出的声音信号到达不同麦克风阵元的时延估计值，结合阵列的空间结构确定声源的位置。显然各阵元的时延估计值的精度直接决定目标定位的精度。然而对于平台资源有限的救援机器人，声音定位中数据采样率受到限制。在采样率不变时，增大阵元间距，可以增加采样点数，进而提高时延估计值精度，提高声源定位的精度。然而，现有的大多数麦克风阵列结构固定。
[0006]2014年9月公开的中国发明专利CN104049235A“声源定向装置中的传声器阵列”，公开了一种几何结构可变的传声器阵列，包括四个传声器，其中三个传声器处于一个平面，另一传声器与该平面的夹角可改变。这种结构通过改变第四个传声器与其它三个传声器平面的夹角，改变了阵列的空间结构，从而可对目标进行多次定向，提升定向的准确度。但其三个阵元间的相对距离固定不变，实际应用中，第四个阵元更会增大阵列的线度。应用到救援机器人中存在以下不足:
[0007]1、救援机器人在现场的移动中，常会遇到狭小通道与障碍物，麦克风阵列尺寸大小受到限制，阵元间距固定，将会无法深入现场的内部，影响搜寻效率；
[0008]2、救援机器人移动中常会遇到高度较小的狭小通道，其三个传声器构成的三角形平面安装位置只能尽量靠近机器人的本体，导致阵列接收到的声源信号容易受到机器人的履带和驱动电机的噪音影响，导致时延估计法得到的时延估计值精度大幅度降低，影响定位精度。
[0009]3、安装第四个传声器S4的转动杆的长度是一定的，该传声器与XOY平面的夹角改变时需要较大的竖直空间，当机器人本体上方空间有限时，转动杆难以转动实现阵列的变化。
[0010]因此，需要一种能够自适应现场空间环境的麦克风阵列的声音定位救援机器人，以能及时对现场进行全面搜索，实现对被困人员定位，提供准确的导航信息，为救援争取宝贵时间。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，包括与主控单元连接的检测前方、侧方和上方障碍物避障模块，调节麦克风阵列平面高度的电动缸，还有调节各阵元间距的齿轮齿条机构，在通过狭小通道时，自适应地减小阵元的间距和阵列平面的高度，以快速通过通道；在空间较大时，自动增大阵元间距离和阵列距离车体的高度，提高声源定位精度。
[0012]本发明的另一目的是设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，主控单元根据避障模块的信号，与预设的安全距离比较，当与障碍物的距离小于安全距离，则指令电动缸降低麦克风阵列平面高度或者指令步进电机驱动齿轮齿条机构缩小阵元间距，反之，当与障碍物的距离大于安全距离1.5倍，则升高阵列平面或者增大阵元间距。本法可让救援机器人迅速通过狭小通道，且空间允许就使阵列平面高度和阵元间距尽可能大，提尚声源定位精度。
[0013]本发明设计一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，包括带有行走机构的车体，设置在车体上的主控单元、声音定位模块和避障模块，行走机构包括驱动电机和其驱动的行走机械装置，所述行走机构的驱动电机、避障模块和声音定位模块均与主控单元连接。主控单元含有信号处理模块，对麦克风阵列的接收的声音信号进行处理、计算，求得声源方位角，以此修正导航角。主控单元连接无线通讯模块，该无线通讯模块与救援机器人管理系统双向无线通讯连接，接受救援机器人管理系统的指令，并将当前运行信息实时发送回救援机器人管理系统。
[0014]所述的避障模块为超声波检测装置，检测车体周围的障碍物的方向与距离，相关信号传送到主控单元。当遇到障碍物时，所述的主控单元通过控制驱动电机正反转、转速来调整机器人行走的路线，同时判断是否需要调整所述阵列的高度及阵元间距。
[0015]所述超声波检测装置包括三组超声波检测器，第一组超声波检测器为I?2个超声波检测器，安装于车体前面，其超声波发射方向水平且与车体前进方向平行，第二组超声波检测器为2?4个超声波检测器，安装于车体侧面，其超声波发射方向水平且与车体前进方向的夹角为35°?50°，即朝向车体两侧前方；第三组超声波检测器为I?3个超声波检测器，安装于车体顶面，其超声波发射方向与车体前进方向的夹角为0°?50°，与车体竖直上方的夹角为35°?50°，即朝向车体前上方或侧上方。
[0016]所述的声音定位模块包括了电动缸、支撑块、支撑板、齿轮轴、上下齿轮、上下齿条导杆及麦克风阵列。所述电动缸包括伺服电机和相配合的丝杠、丝母，丝母上固定推杆，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动丝母和推杆直线运动，丝杠可转动地安装在缸体内。电动缸缸体固定于车体，车体处于水平位置时，推杆中心线与水平面垂直，推杆顶端固定安装支撑块，支撑块上固定安装支撑板，支撑板的表面与推杆中心线垂直。齿轮轴中心线与电动缸的推杆中心线重合，齿轮轴下端可转动地安装于支撑块，上端穿过支撑板。步进电机与齿轮轴驱动连接。处于支撑板上方的上齿轮和处于支撑板下方的下齿轮均固定安装于齿轮轴，处于支撑板上方的2根平行的上齿条导杆分别与上齿轮啮合，处于支撑板下方的2根平行的下齿条导杆分别与下齿轮啮合。下齿条导杆在上齿条导杆所处平面上的投影与上齿条导杆垂直。在2根上齿条导杆和2根下齿条导杆的外端各固定安装一个麦克风阵元。在2根上齿条导杆和2根下齿条导杆的外端各固定向下或向上的支杆，麦克风阵元固定于支杆，4个麦克风阵元处于同一平面上，当车体处于水平位置时，该平面与水平面平行。4个麦克风阵元处于矩形的四个角上，构成十字交叉阵列。各麦克风阵元的信号输出端与主控单元连接。
[0017]左、右麦克风阵元的最小间距等于车体宽度。
[0018]主控单元的控制信号输出端连接所述电动缸的伺服电机与驱动齿轮轴的步进电机。
[0019]所述电动缸伺服电机连接内置电位计，齿轮轴通过调节装置连接外置电位计，内置电位计和外置电位计的输出信号接入主控单元，反馈电动缸的高度位移和齿轮轴的转动角度，即上下齿条导杆的水平位移。
[0020]所述上齿条导杆和下齿条导杆，沿长度方向分为两部分，一部分为齿条，另一部分为无齿的导杆。支撑板上表面固定有对应于2根上齿条导杆的导槽，导槽为门形过孔，每根上齿条导杆的导杆部分穿过一个导槽，齿条部分与上齿轮啮合。导槽确保上齿条导杆在支撑板上表面上直线移动。与其相似支撑板下表面固定有对应于2根下齿条导杆的门形过孔导槽，每根下齿条导杆的导杆部分穿过一个导槽，齿条部分与下齿轮嗤合。导槽确保下齿条导杆在支撑板下表面上直线移动。
[0021 ] 在车体顶面安装有转动云台和摄像头，转动云台和摄像头均与主控单元连接。
[0022]在车体顶面安装有无线通讯模块的天线。
[0023]所述的温度传感器设置于靠近麦克风阵列的车体上，温度传感器与主控单元连接，实时监测环境温度并反馈到主控单元，主控单元根据实时温度实现对声波传播速度的温度补偿。
[0024]本发明一种自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法如下，主控单元通过无线通讯模块接受救援机器人管理系统的搜索指令，在搜索地区按搜索指令的导航角开始运行，避障模块的各组超声波检测器将其探测得到的障碍物信号传送给主控单元。主控单元根据电动缸内置电位计信号得到麦克风阵列平面的高度，根据齿轮轴的外置电位计信号得到麦克风阵元