CN105094136B - 自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为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，机器人带有行走机构的车体上主控单元连接行走驱动电机、避障模块和声音定位模块。避障模块为三组超声波检测器，其超声波发射分别朝正前、侧前和前上。声音定位模块的固定于车体的电动缸推杆顶端安装支撑块和支撑板，齿轮轴穿过上下两面各安装齿轮和2根齿条导杆的支撑板，各齿条导杆外端固装麦克风阵元，构成十字阵列。其使用方法为主控单元按三组超声波检测器检测障碍物与车体的距离，自适应地尽力保持麦克风阵列的高度和阵元间最大。同时分析四个阵元接收的声音，对求救声源定位修正导航角，逼近求救声源。本发明可安全快速通过复杂灾难现场，声源定位精度高，搜索效率高。

Description

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

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

在地震、滑坡等自然灾害或者***、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。

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。

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。

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。

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：

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；

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。

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。

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

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。

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，提高声源定位精度。

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***双向无线通讯连接，接收救援机器人管理***的指令，并将当前运行信息实时发送回救援机器人管理***。

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。

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1～2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1～3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。

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。

左、右麦克风阵元的最小间距等于车体宽度。

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。

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。

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，齿条部分与下齿轮啮合。导槽确保下齿条导杆在支撑板下表面上直线移动。

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。

在车体顶面安装有无线通讯模块的天线。

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。

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收救援机器人管理***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的间距。处于同一平面上的四个麦克风阵元接收到被困人员发出声音，声音信号送到主控单元的信号处理模块，该信号处理模块对四个麦克风所得声音信号进行前置放大滤波处理，然后通过模数转化得到的数字信号，对其再进行分帧加窗处理。检测是否为被困人员发出的声音，即检测是否为求救语音、呻吟声、重复的敲击声等，当判断为被困人员发出的声音，进行声源定位，以其中一个阵元所得信号为基准，得到被困人员声音到达其它三个阵元的不同时延值，依据声源与阵列各阵元的空间关系，用时延估计法求解得到声源的方位角θ，即声音定位。主控单元将当前结果经无线通讯模块传送回救援机器人管理***，同时主控单元以当前获取的声源的方位角θ作为本救援机器人的当前导航角，控制行走机构的驱动电机向声源行进，搜索被困人员，并根据行进中接收到的被困人员声音，不断修正声源的方位角θ。

主控单元根据第一组超声波检测器信号，判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离是否小于设定的安全距离，如果判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离小于设定的安全距离，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向，寻找可前行的路线，迂回朝导航角方向行进，即绕过障碍物继续朝导航角方向行进。

如果判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离大于或等于设定的安全距离，主控单元判断为前方无障碍物，进行下一步判断。

根据第三组超声波检测器信号，判断车体前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离是否符合安全距离，主控单元控制电动缸调节麦克风阵列平面的高度或改变车体行进方向，使车体前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离大于或等于安全距离；即前上方无障碍。

主控单元再根据第二组超声波检测器信号，判断车体两侧障碍物的间距与当前麦克风阵列阵元间距的差与安全距离的关系，主控单元控制步进电机驱动齿轮齿条机构，减小增大阵元间距或改变车体行进方向，使车体两侧障碍物间距与麦克风阵元间距的差大于安全距离。之后按导航角方向行进搜索。

麦克风阵列高度调节的具体的方法如下：主控单元根据第三组超声波检测器的信号得到前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离，根据内置电位计信号得到当前麦克风阵列平面与车体顶面的高度距离，由此二数据计算得到车体前上方障碍物到当前麦克风阵列平面的垂直高度H，与设定的安全距离A比较，当判断H＜A，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，降低推杆，即降低麦克风阵列的高度，至H＝A，以保证安全；当麦克风阵列的高度降低到最低点、仍为H＜A，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向。当判断H＞1.5A，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，升高推杆，即升高麦克风阵列平面；当判断H＝(1～1.5)A，麦克风阵列平面的高度不变。所设定的安全距离A为0.2m～0.5m。

麦克风阵列阵元间距调节的具体的方法如下：主控单元根据第二组超声波检测器的信号得到车体两侧障碍物的间距W，根据外置电位计信号得到当前麦克风阵列阵元的间距w，主控单元计算比较(W-w)＜A，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条导杆向支撑板中心移动，减小阵元间距w；当w已为最小值，仍为(W-w)＜A，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向。当(W-w)＞1.5A，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条导杆向支撑板外移动，加大阵元间距；当(W-w)＝(1～1.5)A，阵元间距不变，主控单元同时指令行走机构的驱动电机调整车体行走的路线，使车体右或左侧面与障碍物的距离等于或大于A/2。

机器人在通过狭小通道时自适应调整麦克风阵列平面的高度和阵元的间距，以适应通道，而在空间允许的情况下麦克风阵列平面的高度和阵元的间距均可保持为可能的最大值。

温度传感器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对声波传播速度进行温度补偿。

主控单元根据救援机器人管理***的指令，控制转动云台转动，控制摄像头实时记录车体周围环境，并将实时视频信号传送到主控单元，主控单元将其无线发送到救援机器人管理***，***管理人员可实时视频监控该救援机器人附近的情况，及时搜索到被困人员的信息，有利搜救人员的救援行动。

与现有技术相比，本发明自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人及其使用方法的优点为：1、能在环境复杂多变的灾难现场快速搜索、得到被困人员的准确方位；通过狭小通道时，可自适应地减小阵元的间距和阵列平面的高度，以便快速通过通道；在空间较大时，可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,为救援机器人提供准确的导航信息，快速搜索及确定被困人员位置信息；2、在空间高度允许时，自适应尽可能地升高麦克风阵列平面的高度，削弱车体行动机构与驱动电机噪音的影响；3、在前进方向宽度允许时，自适应尽可能地加在阵元间距，提高时延估计值精度，提高声源定向精度，从而提高救援机器人搜索目标的效率。

附图说明

图1为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人实施例前方俯视整体结构示意图；

图2为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人实施例后方仰视整体结构示意图；

图3为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人实施例主控单元电路连接示意图；

图4为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法实施例主控单元控制流程图；

图5为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法实施例麦克风阵列高度自适应调整流程图；

图6为本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法实施例麦克风阵列阵元间距自适应调整流程图。

图中标号为：0、车体，1、第一组超声波检测器，2、第二组超声波检测器，3、第三组超声波检测器，4、转动云台，5、摄像头，6、无线通讯模块的天线，7、支撑板，8、导槽，9、上齿条导杆，10、上齿轮，11、麦克风阵元，12、支杆，13、下齿条导杆，14、电动缸缸体，15、温度传感器，16、推杆，17、下齿轮，18、支撑块。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对发明的技术方案作进一步说明。

自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人实施例

本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人实施例的结构如图1和2所示，包括带有行走机构的车体，设置在车体0上的主控单元、声音定位模块和避障模块，本例行走机构包括驱动电机和其驱动的履带轮行走装置。如图3所示，所述行走机构的驱动电机与主控单元连接。主控单元含有信号处理模块，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***双向无线通讯连接。

本例的避障模块为超声波检测装置，包括三组超声波检测器，第一组超声波检测器1为2个超声波检测器，安装于车体0前面，其超声波发射方向水平且与车体0前进方向平行，第二组超声波检测器2为2个超声波检测器，安装于车体0侧面，其超声波发射方向水平、且与车体0前进方向的夹角为45°，即朝向车体0两侧前方；第三组超声波检测器3为1个超声波检测器，安装于车体0顶面，其超声波发射方向与车体0前进方向的夹角为45°，与车体0竖直上方的夹角为45°，即朝向车体0前上方。

所述的声音定位模块包括了电动缸、支撑块18、支撑板7、齿轮轴、上齿轮10、下齿轮17、上齿条导杆9、下齿条导杆13及麦克风阵列。所述电动缸包括伺服电机和相配合的电动缸丝杠、丝母，丝母上固定推杆16，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动丝母和推杆16直线运动，丝杠可转动地安装在电动缸缸体14内。电动缸缸体14固定于车体0，车体0处于水平位置时，推杆16中心线与水平面垂直，推杆16顶端固定安装支撑块18，支撑块18上固定安装支撑板7，支撑板7的表面与推杆16中心线垂直。齿轮轴中心线与推杆16中心线重合，齿轮轴下端可转动地安装于支撑块18，上端穿过支撑板7。步进电机与齿轮轴驱动连接。处于支撑板7上方的上齿轮10和处于支撑板7下方的下齿轮17均固定安装于齿轮轴，处于支撑板7上方的2根平行的上齿条导杆9分别与上齿轮10啮合，处于支撑板7下方的2根平行的下齿条导杆13分别与下齿轮17啮合。下齿条导杆13在上齿条导杆9所处平面上的投影与上齿条导杆9垂直。在2根上齿条导杆9的外端各固定安装朝向下的支杆，支杆末端固定一个麦克风阵元。2根下齿条导杆13的外端各固定安装朝向上的支杆，支杆末端固定一个麦克风阵元。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。

所述上齿条导杆9和下齿条导杆13，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7上表面固定有对应于2根上齿条导杆的导槽8，导槽8为门形过孔，每根上齿条导杆9的导杆部分穿过一个导槽8，齿条部分与上齿轮10啮合。与其相似支撑板7下表面固定有对应于2根下齿条导杆13的门形过孔导槽8，每根下齿条导杆13的导杆部分穿过一个导槽8，齿条部分与下齿轮啮合。

本例麦克风阵元的最小左、右间距等于车体宽度。

如图3所示，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。

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，如图3所示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。

本例在车体0顶面安装有转动云台4和摄像头5，如图3所示转动云台4和摄像头5均与主控单元连接。在车体顶面还安装有无线通讯模块的天线6。

本例的温度传感器15设置于靠近麦克风阵列的车体0上，温度传感器15与主控单元连接。

自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法实施例

本自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法实施例主控单元的控制流程如图4所示，具体为主控单元通过无线通讯模块接收救援机器人管理***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的间距。处于同一平面上的四个麦克风阵元接收到被困人员发出声音，声音信号送到主控单元的信号处理模块，该信号处理模块对四个麦克风所得声音信号进行前置放大滤波处理，然后通过模数转化得到的数字信号，对其再进行分帧加窗处理。检测是否为被困人员发出的声音，即检测是否为求救语音、呻吟声、重复的敲击声等，当判断为被困人员发出的声音，进行声源定位，以其中一个阵元所得信号为基准，得到被困人员声音到达其它三个阵元的不同时延值，依据声源与阵列各阵元的空间关系，用时延估计法求解得到声源的方位角θ，即声音定位。主控单元将当前结果经无线通讯模块传送回救援机器人管理***，同时主控单元以当前获取的声源的方位角θ作为本救援机器人的当前导航角，控制行走机构的驱动电机向声源行进，搜索被困人员，并根据行进中接收到的被困人员声音，不断修正声源的方位角θ。

采用已有技术检测麦克风阵元接收的声音是否为被困人员发出的声音。人发出的语音和呻吟声短时能量较高，频谱波动较大，谱平坦度较小，而噪音平坦度较大，短时能量法结合谱平坦度即可区分噪音与人发出的语音和呻吟声。

被困人员敲击所发出求救声是间断的、重复的声响，敲击声能量较高，频率较稳定，两次敲击之间的间隔时间相差不大，形成的类周期性的脉冲信号可辨认。

主控单元根据第一组超声波检测器1信号，判断车体0正前方的障碍物到车体0的水平距离是否小于设定的安全距离，如果判断车体0正前方的障碍物到车体0的水平距离小于设定的安全距离，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体0行进方向，寻找可前行的路线，迂回朝导航角方向行进。

主控单元改变车体0行进方向依据第二组超声波检测器2的信号，比较车体与左、右两侧障碍物的距离，原导航角方向朝障碍物距离较大的一侧转α角，若两侧障碍物的距离相同，则导航角方向朝右转α角；再根据第一组超声波检测器1信号，判断车体0正前方的障碍物到车体0的水平距离是否小于设定的安全距离，如果判断车体0正前方的障碍物到车体0的水平距离仍小于设定的安全距离，则继续向该侧转至2α角，再根据第一组超声波检测器1信号判断车体0可否前行，如此逐步转向，直至找到车体0可通行的路线。所述α为10～30度。

如果判断车体0正前方的障碍物到车体0的水平距离大于或等于设定的安全距离，主控单元判断为前方无障碍物，进行下一步判断。

主控单元根据第三组超声波检测器3信号，判断车体0前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离是否符合安全距离，主控单元控制电动缸调节麦克风阵列平面的高度或改变车体0行进方向，使车体0前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离大于或等于安全距离；

主控单元还要根据第二组超声波检测器2信号，判断车体0两侧障碍物的间距与当前麦克风阵列阵元间距的差与安全距离的关系，主控单元控制步进电机驱动齿轮齿条机构，减小增大阵元间距或改变车体行进方向，使车体0两侧障碍物间距与麦克风阵元间距的差大于安全距离。

如图5所示，主控单元根据第三组超声波检测器3的信号得到前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离，根据内置电位计信号得到当前麦克风阵列平面与车体0顶面的高度距离，由此二数据计算得到车体0前上方障碍物到当前麦克风阵列平面的垂直高度H，本例设定的安全距离A＝0.3m，当判断H＜0.3m，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，降低推杆16，即降低麦克风阵列的高度，至H＝0.3m，以保证安全；当麦克风阵列的高度降低到最低点、仍为H＜0.3m，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体0行进方向。当判断H＞0.45m，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，升高推杆16，即升高麦克风阵列平面；当判断H＝0.3m～0.45m，麦克风阵列平面的高度不变。

如图6所示，主控单元根据第二组超声波检测器2的信号得到车体0两侧障碍物的间距W，根据外置电位计信号得到当前麦克风阵列阵元的间距w，主控单元计算比较(W-w)＜0.3m，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条导杆向支撑板7中心移动，减小阵元间距w；当w已为最小值，仍为(W-w)＜0.3m，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向。当(W-w)＞0.45m，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条导杆向支撑板7外移动，加大阵元间距；当(W-w)＝0.3m～0.45m，阵元间距不变，主控单元同时指令行走机构的驱动电机调整车体0行走的路线，使车体0右侧面或左侧面与障碍物的距离等于或大于0.15m。

温度传感器15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对声波传播速度进行温度补偿。

主控单元根据救援机器人管理***的指令，控制转动云台4转动，控制摄像头5实时记录车体周围环境，并将实时视频信号传送到主控单元，主控单元将其无线发送到救援机器人管理***。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.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(0)，设置在车体(0)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；主控单元含有信息处理模块，主控单元连接无线通讯模块，该无线通讯模块与机器人管理***双向无线通讯连接；其特征在于：

所述的避障模块为超声波检测装置，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(1)为1～2个超声波检测器，安装于车体(0)前面，其超声波发射方向水平且与车体(0)前进方向平行；第二组超声波检测器(2)为2～4个超声波检测器，安装于车体(0)侧面，其超声波发射方向水平且与车体(0)前进方向的夹角为35°～50°，即朝向车体(0)两侧前方；第三组超声波检测器(3)为1～3个超声波检测器，安装于车体(0)顶面，其超声波发射方向与车体(0)前进方向的夹角为0°～50°，与车体(0)竖直上方的夹角为35°～50°，即朝向车体(0)前上方或侧上方；

所述的声音定位模块包括了电动缸、支撑块(18)、支撑板(7)、齿轮轴、上齿轮(10)、下齿轮(17)、上齿条导杆(9)、下齿条导杆(13)及麦克风阵列；所述电动缸包括伺服电机和相配合的电动缸丝杠、丝母，丝母上固定推杆(16)，伺服电机带动丝杠转动，丝杠带动丝母和推杆(16)直线运动，丝杠可转动地安装在电动缸缸体(14)内；电动缸缸体(14)固定于车体(0)，车体(0)处于水平位置时，推杆(16)中心线与水平面垂直，推杆(16)顶端固定安装支撑块(18)，支撑块(18)上固定安装支撑板(7)，支撑板(7)的表面与推杆(16)中心线垂直；齿轮轴中心线与推杆(16)中心线重合，齿轮轴下端可转动地安装于支撑块(18)、上端穿过支撑板(7)；步进电机与齿轮轴驱动连接，处于支撑板(7)上方的上齿轮(10)和处于支撑板(7)下方的下齿轮(17)均固定安装于齿轮轴，处于支撑板(7)上方的2根平行的上齿条导杆(9)分别与上齿轮(10)啮合，处于支撑板(7)下方的2根平行的下齿条导杆(13)分别与下齿轮(17)啮合；下齿条导杆(13)在上齿条导杆(9)所处平面上的投影与上齿条导杆(9)垂直；在2根上齿条导杆(9)和2根下齿条导杆(13)的外端各固定安装一个麦克风阵元(11)；4个麦克风阵元(11)构成十字交叉阵列；各麦克风阵元(11)的信号输出端与主控单元连接；

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；

所述电动缸伺服电机连接内置电位计，所述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。

2.根据权利要求1所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，其特征在于：

所述2根上齿条导杆(9)和2根下齿条导杆(13)的外端各固定向下或向上的支杆(12)，麦克风阵元(11)固定于支杆(12)末端，4个麦克风阵元(11)处于同一平面上，当车体(0)处于水平位置时，该平面与水平面平行；4个麦克风阵元(11)处于矩形的四个角上。

3.根据权利要求1所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，其特征在于：

所述上齿条导杆(9)和下齿条导杆(13)，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(7)上表面固定有对应于2根上齿条导杆(9)的导槽(8)，导槽(8)为门形过孔，每根上齿条导杆(9)的导杆部分穿过一个导槽(8)，齿条部分与上齿轮(10)啮合；所述支撑板(7)下表面固定有对应于2根下齿条导杆(13)的门形过孔的导槽(8)，每根下齿条导杆(13)的导杆部分穿过一个导槽(8)，齿条部分与下齿轮(17)啮合。

4.根据权利要求1所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，其特征在于：

所述车体(0)顶面安装有转动云台(4)和摄像头(5)，转动云台(4)和摄像头(5)均与主控单元连接。

5.根据权利要求1所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人，其特征在于：

温度传感器(15)设置于靠近麦克风阵列的车体(0)上，温度传感器(15)与主控单元连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，其特征在于：

主控单元通过无线通讯模块接收救援机器人管理***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的间距；处于同一平面上的四个麦克风阵元接收到被困人员发出的声音，声音信号送到主控单元的信号处理模块，该信号处理模块对四个麦克风所得声音信号进行前置放大滤波处理，然后通过模数转化得到的数字信号，对其再进行分帧加窗处理；检测是否为被困人员发出的声音，当判断为被困人员发出的声音，进行声源定位，以其中一个阵元所得信号为基准，得到被困人员声音到达其它三个阵元的不同时延值，依据声源与阵列各阵元的空间关系，用时延估计法求解得到声源的方位角θ；主控单元将当前结果通过无线通讯模块传送回救援机器人管理***，同时主控单元以当前获取的声源的方位角θ作为本救援机器人的当前导航角，控制行走机构的驱动电机向声源行进，搜索被困人员，并根据行进中接收到的被困人员声音，不断修正声源的方位角θ；

主控单元根据第一组超声波检测器信号，判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离是否小于设定的安全距离，如果判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离小于设定的安全距离，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向，寻找可前行的路线，迂回朝导航角方向行进；

如果判断车体正前方的障碍物到车体的水平距离大于或等于设定的安全距离，主控单元判断为前方无障碍物，进行下一步判断；

主控单元根据第三组超声波检测器信号，判断车体前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离是否符合安全距离，主控单元控制电动缸调节麦克风阵列平面的高度或改变车体行进方向，使车体前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离大于或等于安全距离；

主控单元再根据第二组超声波检测器信号，判断车体两侧障碍物的间距与当前麦克风阵列阵元间距的差与安全距离的关系，主控单元控制步进电机驱动齿轮齿条机构，减小增大阵元间距或改变车体行进方向，使车体两侧障碍物间距与麦克风阵元间距的差大于安全距离，按确定的方向行进搜索。

7.根据权利要求6所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，其特征在于：

所述主控单元根据第三组超声波检测器的信号得到前上方障碍物与车顶麦克风阵列平面的距离，根据内置电位计信号得到当前麦克风阵列平面与车体顶面的高度距离，由此二数据计算得到车体前上方障碍物到当前麦克风阵列平面的垂直高度H，与设定的安全距离A比较，当判断H＜A，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，降低推杆，即降低麦克风阵列的高度，至H＝A；当麦克风阵列的高度降低到最低点、仍为H＜A，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向；当判断H＞1.5A，主控单元指令电动缸的伺服电机转动，升高推杆，即升高麦克风阵列平面；当判断H＝(1～1.5)A，麦克风阵列平面的高度不变，所设定的安全距离A为0.2m～0.5m。

8.根据权利要求6所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，其特征在于：

所述主控单元根据第二组超声波检测器的信号得到车体两侧障碍物的间距W，根据外置电位计信号得到当前麦克风阵列阵元的间距w，主控单元计算比较(W-w)＜A，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条向支撑板中心移动，减小阵元间距w；当w已为最小值，仍为(W-w)＜A，主控单元指令行走机构的驱动电机改变车体行进方向；当(W-w)＞1.5A，主控单元指令齿轮轴的步进电机转动，上下齿轮带动上下齿条导杆向支撑板外移动，加大阵元间距；当(W-w)＝(1～1.5)A，阵元间距不变，主控单元同时指令行走机构的驱动电机调整车体行走的路线，使车体右或左侧面与障碍物的距离等于或大于A/2，所设定的安全距离A为0.2m～0.5m。

9.根据权利要求6所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，其特征在于：

靠近麦克风阵列的车体上设置温度传感器，温度传感器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对声波传播速度进行温度补偿。

10.根据权利要求6所述的自适应麦克风阵列的声音定位救援机器人的使用方法，其特征在于：

所述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；

所述主控单元根据救援机器人管理***的指令，控制转动云台转动，控制摄像头实时记录车体周围环境，并将实时视频信号传送到主控单元，主控单元将实时视频信号无线发送到救援机器人管理***。