[发明专利]基于相位变换加权广义互相关算法的自主寻人智能拐杖

摘要

本发明公开了基于相位变换加权广义互相关算法的自主寻人智能拐杖，包括以下步骤：当使用者发出声音指令后，装置在底盘周围六个拾音器形成的麦克风阵列对语音信号进行采集。采集到的声音信号送到声强检测电路和单片机以及其他外部电路，声强检测电路选出采集到的声音信号最强的3个拾音器，单片机利用GCC‑PHAT(相位变换加权广义互相关)时延差估计算法计算时延，并对使用者进行定位；然后根据定位，单片机自主控制拐杖运动至使用者处。

主权项

1.基于相位变换加权广义互相关算法的自主寻人智能拐杖，其特征在于，包括手柄、收缩杆、底盘、轮子和自主寻人智能模块，所述手柄设置于收缩杆上方，收缩杆下方与底盘连接，轮子设置于底盘底部；所述底盘为圆形；所述自主寻人智能模块包括麦克风阵列和设置于底盘内部的语音定位模块、声强检测电路、红外避障模块、单片机以及其他外部电路、电机驱动模块、螺旋推杆电机和底轮舵机；所述麦克风阵列分别与语音定位模块、单片机以及其他外部电路和声强检测电路相连，红外避障模块和单片机以及其他外部电路相连，单片机以及其他外部电路和电机驱动模块相连，电机驱动模块分别与螺旋推杆电机和底轮舵机相连，底轮舵机与轮子相连接；所述麦克风阵列包括6个拾音器，该6个拾音器围绕圆形底盘设置，每60°安装一个拾音器，6个拾音器的中心为拐杖的中心原点；所述麦克风阵列用于将声音信号传给语音定位模块进行处理；所述语音信号识别模块是将麦克风阵列传来的声音信号进行特征提取，并与特征模板比较，如果二者达到了88％及以上的匹配度，则输入的语音被识别；所述语音定位模块是将拾音器收集来的声音信号送入单片机，利用声强检测电路检测出接收到的声音信号最强的3个拾音器，通过计算确定声源的位置，将位置信息传送至单片机，进而准备驱动螺旋推杆电机和底轮舵机；所述声强检测电路获取每个拾音器的声强峰值并进行比较，将对应声强峰值最大的3路电信号传入单片机中进行自主寻人定位，其余的电信号自动舍弃；所述红外避障模块用于检测正前方是否有障碍物，并将相应的信号发送至单片机；所述电机驱动模块通过H桥式功率驱动电路；所述底轮舵机通过单片机驱动，使电机向指定角度旋转，并适当调整速度；所述自主寻人智能模块执行如下步骤：步骤1，利用声强检测电路检测出接收到声音信号最强的3个拾音器，记为拾音器a，拾音器b和拾音器c，分别选取拾音器a，拾音器b和拾音器b，拾音器c两组拾音器接收声音信号，并对声音信号进行傅里叶变化，计算互相关函数；步骤2，分别计算拾音器a，拾音器b和拾音器b，拾音器c两组拾音器接收到声音信号的互相关函数最大值的点，当选取拾音器a和拾音器b时，以拾音器a为第1路，拾音器b为第2路，当选取拾音器b和拾音器c时，以拾音器b为第1路，拾音器c为第2路，分别求它们的相位，计算得到它们的时延差；步骤3，判断时延差，进行定位；步骤4，根据步骤3的定位结果判断出拐杖行进方向，并控制轮子向前方，后方，左侧或右侧移动；步骤1中，通过如下公式计算基于时间t的互相关函数其中x₁表示第1路拾音器，x₂表示第2路拾音器，X₁(ω)、分别表示第1路拾音器接收声音信号基于频率ω的傅立叶变换和第2路拾音器接收声音信号基于频率ω的傅立叶变换的共轭，为权重函数，表示互功率谱；步骤2中，通过如下公式计算时延差τ12：其中Tmax表示一对拾音器之间的最大时延差；步骤3包括：将声强检测电路检测出接收到声音信号最强的3个拾音器按顺时针依次记为a1点，b1点和c1点，声源为s，a1和b1中点为o1；当选取的3个点为右上方的3个拾音器时，将空间区域分为o1b1中间区域和b1右侧区域进行分析：声源s在o1b1中间区域时，计算声源s到达a1，b1的时间延迟，如果大于0，表示声源距离b1近，拐杖往右侧移动，然后选取第三个点c1作为辅助点，计算c1点与a1，b1两点间任意一点时间延迟τ，假设选择计算b1，c1两点，当τ＜0时，表示声源s在a1，b1前方；当τ＞0时，表示声源s在a1，b1后方；声源s在b1右侧区域时，计算声源s到达a1，b1的时间延迟，如果大于0，表示声源距离b1近，拐杖往右侧移动，计算c1点与a1，b1两点间任意一点时间延迟τ，假设选择计算b1，c1两点，当τ＜0时，表示声源s在a1，b1前方；当τ＞0时，表示声源s在a1，b1后方；当选取的3个点为左上方的3个拾音器时，按顺时针依次记为a2点，b2点和c2点，声源为s，b2和c2中点为o2；将空间区域分为b2o2中间区域和b2左侧区域进行分析：声源s在b2o2中间区域时，计算声源s到达b2，c2的时间延迟，如果小于0，表示声源距离b2近，拐杖往左侧移动，然后选取第三个点a2作为辅助点，计算a2点与b2，c2两点间任意一点时间延迟τ，假设选择计算a2，b2两点，当τ＞0时，表示声源s在b2，c2前方；当τ＜0时，表示声源s在b2，c2后方；声源s在b2左侧区域时，计算声源s到达b2，c2的时间延迟，如果小于0，表示声源距离b2近，拐杖往左侧移动，计算a2点与b2，c2两点间任意一点时间延迟τ，假设选择计算a2，b2两点，当τ＞0时，表示声源s在b2，c2前方；当τ＜0时，表示声源s在b2，c2后方。