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基于正四面体传声器阵列的机器人声源定位方法研究

徐勤奇  
【摘要】:随着数字信号处理技术和声电技术的不断发展和完善,以及仿人机器人人工智能水平的进步,听觉系统作为人类感官的重要组成部分,已经成为机器人领域的一个重要研究方向。听觉可以在光线很暗或者黑暗的环境中工作,利用声音衍射的特性,还可以定位障碍物后面的声源目标,与其它感官传感器相比具有独特的优势。听觉机器人可以被用在险情救灾、军事、医疗以及服务行业。本文针对智能机器人听觉目标定位这一待解决的关键问题,主要研究了以下三方面内容: 1.基于正四面体传声器阵列的三维空间目标声源定位 在研究了传声器阵列的基础上,提出了使用正四面体传声器阵列来定位声源,建立了基于正四面体阵列的几何定位模型,推导了定位公式,分析了近似模型对定位误差的影响和时延估计误差对定位精度的影响,并进行了理论分析和仿真分析,为以后设计和改进机器人听觉系统提供了重要的理论依据。搭建了基于移动机器人的正四面体阵列的声源定位实验平台,通过实验验证了基于正四面体阵列的三维空间声源定位系统的定位性能。 2.结合机器人主动运动的两次定位方法 目前的机器人声源定位系统只能定位方位角和仰角,定位距离误差很大,针对这种现状,提出结合机器人主动运动定位声源,通过机器人主动运动,使机器人在不同的地点对声源进行多次信息采集,最终实现目标声源的准确定位。建立了结合机器人主动运动定位声源的定位模型,并分析了机器人行走误差对定位精度的影响和方位角误差对定位精度的影响,以及仰角误差对定位精度的影响,最后通过实验验证了结合机器人主动运动定位声源的有效性。 3.正四面体传声器阵列标定 实际传声器阵列与假设阵列模型之间存在误差,导致传声器阵列的语音增强算法和定位性能严重下降。针对正四面体传声器阵列,本文提出了一种新的传声器阵列位置误差有源标定方法。空间中放置一个距离已知的声源,将这个声源移动多次,进行多次测量,通过多次测量的数据估计传声器位置。该方法只需要测量声源的距离,避开了声源精确位置的测量,使用Levenberg-Marquardt算法对多次测量的数据进行处理,得到了很好的标定效果。通过仿真试验验证了该方法的有效性。


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