СИСТЕМА ВОСПРИЯТИЯ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ РОБОТОВ (ВАРИАНТЫ)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к акустике и может найти применение в акустических системах роботов.
Уровень техники
В настоящее время известны различные системы восприятия звуковых сигналов и реализуемые ими способы, которые можно использовать для роботов.
Так, выложенная заявка Японии №09-061100 (публ. 07.03.1997) описывает систему обнаружения направления на цель, имеющую множество каналов, состоящих из акустического датчика, усилителя, фильтра и АЦП и подключенных к компьютеру, который выделяет высокочастотные компоненты и осуществляет корреляционную обработку с помощью сигнала с датчика белого шума. Такая обработка, однако, не позволяет обеспечить необходимую точность пеленгации.
Наиболее близкие к заявленной группе изобретений аналоги описаны в патенте США №4333170 (публ. 01.06.1982).
Из этого документа известен способ восприятия звуковых сигналов для роботов, заключающийся в том, что: принимают сигналы от источника звуковых сигналов с использованием бинаурального эффекта; оцифровывают принятые сигналы; обрабатывают оцифрованные сигналы для выдачи данных пеленга упомянутого источника звуковых сигналов.
Из того же документа известна система восприятия звуковых сигналов для роботов, содержащая: приемное устройство, предназначенное для приема сигналов от источника звуковых сигналов с использованием
бировки сигналов, принятых приемным устройством; устройство обработки сигналов, предназначенное для выдачи данных пеленга упомянутого источника звуковых сигналов.
Этим наиболее близким аналогам присущ тот же недостаток, что и у ранее упомянутого, а именно, недостаточная точность пеленгации источника звуковых сигналов.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка системы восприятия звуковых сигналов, которые обеспечивали бы высокую точность пеленгации для их применения в системах роботов.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в системе восприятия звуковых сигналов для роботов, содержащей приемное устройство, предназначенное для приема сигналов от источника звуковых сигналов с использованием бинаурального эффекта; устройство оцифровки, предназначенное для оцифровки сигналов, принятых приемным устройством; устройство обработки сигналов, предназначенное для выдачи данных пеленга упомянутого источника звуковых сигналов, - согласно настоящей полезной модели, - приемное устройство включает в себя по меньшей мере два сенсора, каждый из которых состоит из электретного микрофона, установленного в соответствующей акустической антенне, и усилителя сигналов, предназначенного для усиления сигналов всех сенсоров, акустические антенны которых образуют по меньшей мере линейную структуру; устройство оцифровки выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя; устройство обработки сигналов представляет собой вычислитель, запрограммированный для выполнения по меньшей мере следующих операций: сглаживание принятых сигналов с помощью скользящего усреднения, нормировка сглаженных сигналов с учетом среднего значения пиков, линейная коррекция сглаженных и нормированных
сигналов для устранения неоднозначности в дальнейшем нахождении фазового сдвига, нахождение периода откорректированного сигнала с помощью автокорреляционной функции, нахождение фазового сдвига принятых сигналов с учетом найденного периода, нахождение угла пеленга на источник звуковых сигналов по найденному фазовому сдвигу с помощью разностно-дальномерного метода.
Особенность этой системы по настоящей полезной модели состоит в том, что вычислитель может быть выполнен в виде персонального компьютера или в виде бортового компьютера робота.
Еще одна особенность этой системы по настоящей полезной модели состоит в том, что аналого-цифровой преобразователь может быть выполнен в виде отдельного устройства или в виде звуковой платы, отвечающей стандарту АС-97.
Другой вариант системы по настоящей полезной модели, обеспечивающий достижение того же технического результата, отличается от наиболее близкого аналога тем, что приемное устройство включает в себя по меньшей мере два сенсора, каждый из которых состоит из электретного микрофона, установленного в соответствующей акустической антенне, и усилителя сигналов, предназначенного для усиления сигналов всех сенсоров, акустические антенны которых образуют по меньшей мере линейную структуру; устройство оцифровки выполнено в виде отдельного микроконтроллера предварительной обработки, запрограммированного для дополнительного выполнения по меньшей мере следующих операций: сглаживание принятых сигналов с помощью скользящего усреднения, нормировка сглаженных сигналов с учетом среднего значения пиков, линейная коррекция сглаженных и нормированных сигналов для устранения неоднозначности в дальнейшем нахождении фазового сдвига; устройство обработки сигналов представляет собой вычислитель, запрограммированный для выполнения следующих операций: нахождение периода откорректированного
сигнала с помощью автокорреляционной функции, нахождение фазового сдвига принятых сигналов с учетом найденного периода, нахождение угла пеленга на источник звуковых сигналов по найденному фазовому сдвигу с помощью разностно-дальномерного метода.
Особенность этого (как и предыдущего) варианта системы по настоящей полезной модели состоит в том, что вычислитель может быть выполнен в виде персонального компьютера или в виде бортового компьютера робота.
Еще один вариант системы по настоящей полезной модели, обеспечивающий достижение того же технического результата, отличается от наиболее близкого аналога тем, что приемное устройство включает в себя по меньшей мере два сенсора, каждый из которых состоит из электретного микрофона, установленного в соответствующей акустической антенне, и усилителя сигналов, предназначенного для усиления сигналов всех сенсоров, акустические антенны которых образуют по меньшей мере линейную структуру; устройство оцифровки и устройство обработки сигналов объединены и выполнены в виде отдельного микропроцессорного устройства, запрограммированного для дополнительного выполнения по меньшей мере следующих операций: сглаживание принятых сигналов с помощью скользящего усреднения, нормировка сглаженных сигналов с учетом среднего значения пиков, линейная коррекция сглаженных и нормированных сигналов для устранения неоднозначности в дальнейшем нахождении фазового сдвига, нахождение периода откорректированного сигнала с помощью автокорреляционной функции, нахождение фазового сдвига принятых сигналов с учетом найденного периода, нахождение угла пеленга на источник звуковых сигналов по найденному фазовому сдвигу с помощью разностно-дальномерного метода,
Еще один вариант системы по настоящей полезной модели, обеспечивающий достижение того же технического результата, отличается от
наиболее близкого аналога тем, что приемное устройство включает в себя по меньшей мере два сенсора, каждый из которых состоит из электретного микрофона, установленного в соответствующей акустической антенне, причем акустические антенны образуют по меньшей мере линейную структуру; устройство оцифровки и устройство обработки сигналов объединены и выполнены в виде отдельного микропроцессорного устройства, запрограммированного для дополнительного выполнения по меньшей мере следующих операций: усиление сигналов всех сенсоров, сглаживание принятых сигналов с помощью скользящего усреднения, нормировка сглаженных сигналов с учетом среднего значения пиков, линейная коррекция сглаженных и нормированных сигналов для устранения неоднозначности в дальнейшем нахождении фазового сдвига, нахождение периода откорректированного сигнала с помощью автокорреляционной функции, нахождение фазового сдвига принятых сигналов с учетом найденного периода, нахождение угла пеленга на источник звуковых сигналов по найденному фазовому сдвигу с помощью разностно-дальномерного метода.
Краткое описание чертежей
Настоящая полезная модель иллюстрируется далее с помощью чертежей.
Фиг.1 показывает блок-схему системы по настоящей полезной модели.
Фиг.2 поясняет последовательность операций по обработке сигналов в системе по фиг.1.
Фиг.3 иллюстрирует вид сигналов, принимаемых двумя сенсорами в системе по фиг.1.
Фиг.4 иллюстрирует вид сигнала, получаемого после сглаживания сигнала с помощью скользящего усреднения.
Подробное описание вариантов осуществления полезной модели
На фиг.1 показана блок-схема системы восприятия звуковых сигналов по настоящей полезной модели. Эта система содержит приемное устройство 1, выход которого соединен со входами устройства 2 оцифровки, выход которого, в свою очередь, соединен со входом устройства 3 обработки сигналов.
Приемное устройство 1 в общем случае включает в себя несколько (не менее двух) сенсоров 4 (на фиг.1 показаны два сенсора 4.1 и 4.2). Наличие не менее двух сенсоров необходимо для обеспечения бинаурального эффекта. Каждый из сенсоров 4 состоит из акустической антенны 5, в которой установлен электретный микрофон 6. Такие микрофоны имеют достаточную чувствительность при малых размерах [1]. Акустические антенны 5 (например, рупорной формы) всех сенсоров 4 образуют пространственную решетку, которая в частном случае может представлять собой линейную структуру. Приемное устройство 2 содержит также в некоторых вариантах осуществления настоящей полезной модели усилитель 7 сигналов, предназначенный для усиления сигналов всех сенсоров 4.
Устройство 2 оцифровки может быть выполнено в виде многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) либо в виде звуковой платы, отвечающей стандарту АС-97. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели устройство 2 оцифровки может быть выполнено в виде микроконтроллера предварительной обработки, функции которого, помимо оцифровки принимаемых сигналов, описаны далее. В некоторых вариантах осуществления настоящей полезной модели функции устройства 2 оцифровки выполняет отдельное микропроцессорное устройство, реализующее также функции устройства 3 обработки сигналов.
Устройство 3 обработки сигналов может быть выполнено в виде отдельного вычислителя или микропроцессорного устройства, функции
которого для разных вариантов осуществления настоящей полезной модели описываются далее. В разных вариантах осуществления настоящей полезной модели это устройство 3 обработки сигналов может быть персональный компьютер или бортовой компьютер робота.
Усилитель 7 может быть отдельным устройством любого типа, обеспечивающим усиление принимаемых сенсорами 4 сигналов. В одном варианте осуществления настоящей полезной модели функции усилителя 7 может выполнять отдельное микропроцессорное устройство, объединяющее в себе также функции устройства 2 оцифровки и устройства 3 обработки сигналов.
В основе настоящей полезной модели лежит общеизвестный метод определения пеленга на источник звуковых сигналов с помощью бинаурального эффекта, т.е. по разнице сигналов, принимаемых по меньшей мере двумя сенсорами, разнесенными в пространстве. Сложность в данном случае заключается в том, что заранее неизвестно, какую частоту (какой период) имеет сигнал, излучаемый источником звуковых сигналов.
Система восприятия звуковых сигналов для роботов по настоящей полезной модели реализуется в системе по фиг.1 следующим образом (фиг.2).
Сигнал от источника (не показан) звуковых сигналов, концентрируясь с помощью акустических антенн 5, поступает на микрофоны 6 всех сенсоров 4 (блок 11). Сигнал с каждого микрофона 6 подается в усилитель 7, где происходит усиление сигналов всех сенсоров 4 (блок 12). Далее производится оцифровка всех сигналов (блок 13) в устройстве 2 оцифровки. На фиг.3 показаны диаграммы сигналов двух сенсоров 4.1 и 4.2 в случае, когда источник звуковых сигналов находится на направлении, отклоненном на некоторый угол от нормали 8 (фиг.1) к линии, соединяющей сенсоры 4. Как видно из фиг.3, в этих сигналах присутствуют высокочастотные
колебания, которые искажают пеленгацию роботом источника звуковых сигналов.
Для устранения этих высокочастотных колебаний путем сглаживания (блок 14) применяется известный метод скользящего усреднения [2], при котором в заданной окрестности рассматриваемой точки (отсчета) вычисляют среднее арифметическое от заданного числа предыдущих и последующих точек (отсчетов), включая и рассматриваемую точку (отсчет). Ширина области, в которой проводится усреднение, может выбираться в зависимости от присутствующих в сигнале помех. На фиг.4 показан результат сглаживания сигнала указанным методом.
Сглаживания, однако, недостаточно для дальнейшего правильного определения пеленга на источник звуковых сигналов. Поэтому сглаженный сигнал нормируют (блок 15). Для этого подсчитывают среднее значение пиков принятых сигналов в каждом канале (от каждого сенсора 4) и домножают значения сигнала в канале с пиками меньшего среднего значения на коэффициент, равный отношению среднего значения пиков в канале с большим средним значением пиков к среднему значению пиков в канале с меньшим средним значением пиков.
После этого выполняется линейная коррекция (блок 16) сигналов, чтобы избежать неоднозначности при дальнейшем нахождении пеленга из-за изменения фазы сигнала на величину, кратную 2π, при временном сдвиге сигналов. В данном случае линейная коррекция представляет собой домножение отсчетов сигнала на коэффициент меньше единицы.
Затем производится определение периода принятого сигнала (блок 17). Для этого используется автокорреляционная функция, определяемая путем перемещения некоторого отрезка сигнала вдоль его продолжения и нахождения произведения всех отсчетов этого отрезка на совпадающие с ними отсчеты продолжения сигнала до появления первого всплеска в вычисляемом произведении, свидетельствующего о сдвиге на период [3].
Зная период принятого сигнала, можно определить фазовый сдвиг сигналов, принятых разными сенсорами 4.
Нахождение этого фазового сдвига (блок 18) может осуществляться с помощью различных методов. Можно воспользоваться методом функции рассогласования, при котором вычисляется суммарная разность между отсчетами двух сигналов, сдвинутых по времени на некоторую величину [4]. Другим методом является метод функции взаимной корреляции, сходный с методом автокорреляционной функции, в котором вместо сдвигаемого отрезка того же самого сигнала используется другой сигнал [5]. Наконец, возможно применение Фурье-анализа [6].
После нахождения фазового сдвига любым из указанных выше методов или их комбинации (отметим, что фазовый сдвиг при этом определяется как временной сдвиг) производится вычисление угла пеленга на источник звуковых сигналов (блок 19) с помощью разностно-дальномерного метода. Для этого вычисляется функция arcsin от произведения найденного временного сдвига на скорость звука и частоту дискретизации, поделенного на удвоенное расстояние (удвоенную базу) между сенсорами 4.
В варианте осуществления системы по настоящей полезной модели устройство 2 оцифровки выполнено в виде отдельного микроконтроллера предварительной обработки, запрограммированного для выполнения не только оцифровки принимаемых сигналов, но также для выполнения операций сглаживания принятых сигналов с помощью скользящего усреднения (блок 14), нормировки сглаженных сигналов с учетом среднего значения пиков (блок 15) и линейной коррекции сглаженных и нормированных сигналов для устранения неоднозначности в дальнейшем нахождении фазового сдвига (блок 16). При этом устройство 3 обработки сигналов представляет собой вычислитель, запрограммированный для выполнения операций нахождения периода откорректированного сигнала с помощью автокорреляционной функции (блок 17), нахождения фазового сдвига принятых
сигналов с учетом найденного периода (блок 18) и нахождения угла пеленга на источник звуковых сигналов по найденному фазовому сдвигу с помощью разностно-дальномерного метода (блок 19).
В еще одном варианте осуществления системы по настоящей полезной модели устройство 2 оцифровки и устройство 3 обработки сигналов объединены и выполнены в виде отдельного микропроцессорного устройства, запрограммированного для выполнения всех операций, указанных в блоках 13-19 на фиг.2.
В еще одном варианте осуществления системы по настоящей полезной модели устройство 2 оцифровки и устройство 3 обработки сигналов объединены и выполнены в виде отдельного микропроцессорного устройства, запрограммированного для выполнения всех операций, начиная с усиления сигналов (блоки 12-19 на фиг.2). Т.е. в этом варианте осуществления настоящей полезной модели не требуется отдельного усилителя 7, т.к. его функции выполняет упомянутое отдельное микропроцессорное устройство. В этом случае, очевидно, операции оцифровки и усиления сигналов (блоки 12 и 13 на фиг.2) должны поменяться местами.
Настоящая полезная модель, таким образом, позволяет находить угол пеленга на источник звуковых сигналов заранее неизвестной частоты с высокой точностью.