[发明专利]一种多机器人协同的3D声源识别定位方法

权利要求书

1.一种多机器人协同的3D声源识别定位方法，其特征在于包括以下步骤：

(S1)采集各机器人的麦克风的音频信号，并对其做快速傅里叶变换，得到各音频信号的频域信号；

(S2)将各音频信号与参考音频信号做互相关计算，若计算结果达到设定的阈值，则将其识别为待识别的音频信号，并跳转至步骤(S3)；否则跳转至步骤(S1)；

(S3)对于每个机器人，计算该机器人上任意两个麦克风的音频信号之间的互相关函数，然后对方向空间做离散化，在每个方向上计算对应时延下的互相关函数之和，找出最大响应值，最大响应值对应的方向即是声源相对该机器人的方向；

(S4)求解声源的坐标，并根据声源方向以及各机器人所在的位置对声源的坐标进行修正；其具体包括以下步骤：

(S41)以机器人的位姿信息为原点，以机器人的假想声源直角坐标矢量q_i的方位角为方向，得到各机器人在水平面的方位角射线；并依次求取任意两个方位角射线的交点坐标，并求取各交点坐标的平均值，将其作为未修正前的声源位置；

(S42)根据未修正前的声源位置，计算声源到各机器人的距离，将距离最小的机器人的作为最小距离机器人；根据最小距离机器人的方位角射线、位姿信息以及该机器人与声源的距离对声源位置进行修正，得到修正后的声源位置；修正过程采用的公式为：

其中，P_corrected为修正后的声源位置，d_min为最小距离机器人与声源的距离，L_i为最小距离机器人的位姿信息，α_i是方位角射线的方向角，θ_i是最小距离机器人的朝向的角度；

(S43)计算以修正后的声源位置P_corrected为起点的法向量与最小距离机器人的俯仰角射线向量的交点P_cross＝[x_crossy_crossz_cross]，将该交点的坐标作为声源的位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种多机器人协同的3D声源识别定位方法，其特征在于，在步骤(S1)中，采集音频信号的过程中，采样频率大于参考音频信号的频率的两倍。

3.根据权利要求1所述的一种多机器人协同的3D声源识别定位方法，其特征在于，在步骤(S2)中，当至少两个所述机器人采集到的音频信号的频域信号达到设定阈值时，将采集到的音频信号识别为待识别的音频信号。

4.根据权利要求1所述的一种多机器人协同的3D声源识别定位方法，其特征在于，在步骤(S2)中，将某个音频信号为x_i(n)与参考音频信号x_ref(n)做互相关计算包括以下步骤

(S21)计算参考音频信号x_ref(n)的自相关函数R_ref(τ)以及自相关函数R_ref(τ)的峰值，计算公式为：

其中，F_ref(ω)为参考音频信号x_ref(n)的快速傅里叶变换结果；

(S22)计算音频信号为x_i(n)与参考音频信号x_ref(n)的互相关函数R(τ)以及互相关函数R(τ)的峰值，计算公式为：

其中，F_ref(ω)为参考音频信号x_ref(n)的快速傅里叶变换结果，F_i(ω)为音频信号x_i(n)的快速傅里叶变换结果；

(S23)计算互相关函数R(τ)的峰值与自相关函数R_ref(τ)的峰值之间的比值，该比值为互相关计算的结果。

5.根据权利要求1所述的一种多机器人协同的3D声源识别定位方法，其特征在于，步骤(S3)具体包括以下步骤：

(S31)计算SRP-PHAT的函数表达式，计算公式为：

其中，M是第i个机器人上麦克风的总数；q_i为声源相对第i个机器人的假想声源直角坐标矢量(α,β,h)，α为方向角，β为俯仰角，h为声源的预定高度，i的取值范围为[1,N_robot]，其中N_robot表示机器人的总个数，为第l个和第m个麦克风的接收信号的GCC-PHAT函数，其表达式为：

其中X_m(k)是x_m(n)的FFT，x_m(n)表示第m个麦克风接收到的音频信号，K为FFT点数，τ_lm(q_i)表示假想声源的音频信号到第l个和第m个麦克风的到达时间差，其表达式为：

其中：q_i为声源相对第i个机器人的假想声源直角坐标矢量(α,β,h)，r_m,r_l表示的是第m个麦克风和第l个麦克风的位置，c为空气中的声速；

(S32)将方向空间按照预定的角度进行离散化分解；得到声源直角坐标矢量的取值范围；

(S33)对声源的方向进行估算，得到声源相对各麦克风的假想声源直角坐标矢量其计算公式为：

其中，Q为方向空间离散化后假想声源直角坐标矢量q_i的取值范围。