基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法

wave，fmcw)通过扬声器发送和接收啁啾信号，获得并分析啁啾信号的频谱峰值，实现距离的测量。本发明可以在50khz左右的带宽下实现高精度的定位，可广泛应用在雷达、声呐系统中，也可以应用在室内环境的测距中。
9.本发明的技术方案是：
10.构建交互测距系统，交互测距系统由移动机器人、智能语音助手和计算机组成。移动机器人、计算机、智能语音助手之间通过wifi通信，移动机器人通过内置的第一麦克风阵列发送基于频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)方法调制的tx端啁啾信号(表示发送端(transmission)信号)，智能语音助手在接收到tx端啁啾信号后通过第二麦克风阵列向移动机器人返回rx端啁啾信号(表示接收端(receive)信号)。移动机器人内置混频器对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，低通滤波器对混合后信号进行滤波，将滤波后的信号通过wifi传输至计算机，计算机中的计算模块计算智能语音助手和机器人之间的距离。
11.本发明包含如下步骤：
12.第一步，构建交互测距系统，交互测距系统由一个智能语音助手、一个内置第一麦克风阵列的移动机器人和一台计算机组成。移动机器人和智能语音助手、计算机通过wifi建立通信。
13.智能语音助手是具有麦克风阵列(令为第二麦克风阵列)以及配备有发声用的扬声器的智能音箱。第二麦克风阵列要求至少有六个麦克风。第二麦克风阵列和第一麦克风阵列型号不相同。智能语音助手可以连接wifi，从移动机器人的第一麦克风阵列接收用户说出的语音(可以是唤醒词、指令、聊天内容等)，进行语音的识别并完成用户指定的任务(如打开音乐、开启其他物联网设备等)。智能语音助手可以选择小米公司的小爱同学、百度公司的小度智能音箱、阿里巴巴公司的天猫精灵等。
14.移动机器人指大多数配备有移动设备、具有移动能力，自动执行工作的机器设备，可采用的机器人包括但不限于activmedia的pioneer3 at机器人等。移动机器人内置通信模块、测距模块、信号处理模块。
15.通信模块是移动机器人内置的无线路由器，可以采用tp-link公司的150mbit.s-1迷你型无线路由器。通信模块与信号处理模块、计算机、智能语音助手相连，在移动机器人和计算机、智能语音助手三个设备之间建立wifi通信，完成时钟同步。通信模块对移动机器人和智能语音助手采用ieee 1588ptp标准进行时间同步，要求具有高达100μs的时间同步精度(即产生3.4毫米的测距误差)，保证测距的时钟同步需求。
16.测距模块与信号处理模块、智能语音助手相连，测距模块内部署有第一麦克风阵列，第一麦克风阵列可以采用seeed公司出品的树莓派款respeaker阵列。第一麦克风阵列要求至少有四个麦克风。在通信模块完成时钟同步且第一麦克风阵列和第二麦克风阵列初始化完成后，测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手和信号处理模块发送tx端啁啾信号(表示发送端(transmission)信号)，且测距模块从智能语音助手接收返回的rx端啁啾信号(表示接收端(receive)信号)并将rx端啁啾信号发送至信号处理模块。
17.信号处理模块与测距模块、计算机相连，从测距模块接收第一麦克风阵列发出的tx端啁啾信号和智能语言助手的第二麦克风阵列返回的rx端啁啾信号。
18.信号处理模块部署有混频器，低通滤波器。混频器可以采用华光瑞芯公司的
hg121ha型号，低通滤波器可以采用亚德诺公司的ltc1564型号。混频器与测距模块、低通滤波器相连，对从测距模块接收的tx端信号和rx端信号进行混合，得到(intermediate frequency signal，if信号)，将if信号发送给低通滤波器。低通滤波器与混频器、计算机相连，低通滤波器从混频器接收if信号，过滤掉if信号中频率高于150khz的高频成分，得到滤波后的if信号，将过滤掉高频成分的if信号通过wifi发送给计算机。
19.计算机与通信模块、信号处理模块相连，计算机内置计算模块，计算模块是matlab程序，matlab程序要求版本不低于r2019a版本。通过建立的wifi连接从信号处理模块接收滤波后的if信号，分析滤波后的if信号，计算出移动机器人和智能语音助手之间的距离。
20.第二步，初始化移动机器人中的第一麦克风阵列和智能语音助手中的第二麦克风阵列，方法是：移动机器人开启第一麦克风阵列的扬声器，并通过通信模块向智能语音助手发送开启麦克风阵列的指令，开启智能语音助手的第二麦克风阵列。
21.第三步，移动机器人采用调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)方法调制tx端啁啾信号，智能语音助手通过第二麦克风阵列向移动机器人返回rx端啁啾信号；移动机器人内置混频器对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，得到中频抑制信号即if信号，将if信号发送给低通滤波器；低通滤波器过滤掉if信号中高频成分，得到滤波后的if信号，将过滤掉高频成分的if信号通过wifi发送给计算机，方法是：
22.3.1移动机器人的测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手发送tx端啁啾信号。
23.啁啾信号(chirp signal)在人类听觉上类似于鸟叫声，其频率随时间呈线性变化，因此命名为啁啾信号。tx端啁啾信号频率f的变化如公式(1)所示：
[0024][0025]
公式中，f
min
指tx端啁啾信号频率的最小值，f
min
设计为10khz，b指tx端啁啾信号的带宽(bandwidth)，b设计为4khz，t是tx端啁啾信号的周期，t设计为10.7ms，t为一个周期内的时间，0《t《t。
[0026]
tx端啁啾信号在t时间时的相位ω(t)如公式(2)所示：
[0027][0028]
3.2智能语音助手开启第二麦克风阵列扫描接收tx端啁啾信号。tx端啁啾信号在空气中传播，并在延迟td后到达智能语音助手的第二麦克风阵列。由于声音信号在现实空间中传播会有衰减，所以智能语音助手的第二麦克风阵列在t时刻接收到的tx端啁啾信号ur(t)如公式(3)所示：
[0029][0030]
在公式(3)中，t
′
是t在一个周期t中的最小正值，t
′
＝t
–
nt，td是tx端啁啾信号的传播时延，n是t/t的整数部分，α是tx端啁啾信号在空气中的衰减系数，取α＝0.166db/mm。
[0031]
3.3第二麦克风阵列形成rx端啁啾信号，rx端啁啾信号的带宽与tx端啁啾信号的带宽相等，rx端啁啾信号的周期和tx端啁啾信号的周期相同，rx端啁啾信号的频率最小值与tx端啁啾信号的频率最小值相等，rx端啁啾信号相对于tx端啁啾信号的时延为τ，将rx端
啁啾信号发送给移动机器人的测距模块。
[0032]
3.4移动机器人的测距模块将rx端啁啾信号发送给信号处理模块。
[0033]
3.5移动机器人的信号处理模块的混频器根据中频抑制的原理，对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，得到混合后的信号中频抑制信号即if信号。将if信号发送给低通滤波器。
[0034]
if信号的频率是tx端啁啾信号频率和rx端啁啾信号频率的相减，if信号的相位是tx端啁啾信号的相位和rx端啁啾信号的相位的相减。基于该特点，得出if信号的表达式x
out
(t)：
[0035][0036]
3.6低通滤波器过滤掉if信号中频率高于150khz的高频成分，并将滤波后的if信号通过wifi发送给计算机中的计算模块。
[0037]
第四步，计算机的计算模块根据滤波后的if信号计算语音助手和机器人之间的距离。方法是：
[0038]
计算模块在时域上对滤波后的if信号做离散傅里叶变换(dft)，计算语音助手和机器人之间的距离。提取滤波后的if信号在频域上的频谱峰值f
p
。f
p
即是tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2的频率差值δf，在经过时延τ后，f
p
恒定不变。f
p
与tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2之间的时延τ有如下关系：
[0039][0040]
其中，v是声音的速度，取340m/s、d是声源(移动机器人)和接收器(智能语音助手)的距离、b是tx端啁啾信号的带宽、t是tx端啁啾信号的周期长度。
[0041]
对公式(5)进行变化，距离d满足：
[0042][0043]
公式(6)的后一个等式中，fs是移动机器人的第一麦克风阵列的采样率，即单位时间内扫描的样点的数目，经验值为48khz，n是tx端啁啾信号扫描周期中样点的数目，由此可知扫描周期t＝n/fs。由公式(1)中设计的扫描周期t＝10.7ms，带宽b＝4khz可以得出一个fmcw扫描周期具有512个采样点，即n＝512。
[0044]
使用公式(6)中的第二个等式该公式中的n＝512、v＝340m\s、b＝4khz、fsfs＝48khz，由于在前述操作中已将if信号经过傅里叶变换并取出f
p
的值，因此通过公式(6)即可计算出移动机器人和智能语音助手的距离d。
[0045]
采用本发明可以得到以下技术效果：
[0046]
1.本发明第三步使用连续调频波(fmcw)方法发送tx端啁啾信号，可以在约50khz的带宽下实现分米甚至是厘米级别的高精度测距。
[0047]
2.本发明综合考虑测距人员和周围环境的各方面因素，选择移动机器人与计算机，机器人和智能语言助手的wifi通信方式，具有出较好的协同性能。
[0048]
3.本发明使用的硬件设备采用室内现有智能家居，解决了智能家居利用率低的问
题，且麦克风阵列等结构相对简单，尺寸小，重量轻，成本低，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0049]
图1是本发明第一步构建的系统的逻辑结构图；
[0050]
图2是本发明总体流程图；
[0051]
图3是tx端发出的啁啾信号的周期频率示意图；
[0052]
图4(a)是tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2的周期频率示意图；图4(b)是滤波后的if信号的频率峰值示意图；
[0053]
图5为在2
×2×
3m的空间采用本发明进行测距的一个实施例的测距误差。
具体实施方式
[0054]
以下结合附图对本发明技术方案结合具体实施例作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0055]
还应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于理解本发明，并不用于限定本发明。
[0056]
图2是本发明总体流程图；
[0057]
如图2所示，本发明包括以下步骤：
[0058]
第一步，构建交互测距系统，如图1所示，交互测距系统由一个智能语音助手、一个内置第一麦克风阵列的移动机器人和一台计算机组成。移动机器人和智能语音助手、计算机通过wifi建立通信。
[0059]
智能语音助手是具有麦克风阵列(令为第二麦克风阵列)以及配备有发声用的扬声器的智能音箱。第二麦克风阵列要求至少有六个麦克风。智能语音助手可以连接wifi，从移动机器人的第一麦克风阵列接收用户说出的语音(可以是唤醒词、指令、聊天内容等)，进行语音的识别并完成用户指定的任务(如打开音乐、开启其他物联网设备等)。智能语音助手选择小米公司的小爱同学、百度公司的小度智能音箱、阿里巴巴公司的天猫精灵中的任意一种。
[0060]
移动机器人指大多数配备有移动设备、具有移动能力，自动执行工作的机器设备，采用的机器人包括但不限于activmedia的pioneer3 at机器人。移动机器人内置通信模块、测距模块、信号处理模块。
[0061]
通信模块是移动机器人内置的无线路由器，可以采用tp-link公司的150mbit.s-1迷你型无线路由器。通信模块与信号处理模块、计算机、智能语音助手相连，在移动机器人和计算机、智能语音助手三个设备之间建立wifi通信，完成时钟同步。通信模块对移动机器人和智能语音助手采用ieee 1588ptp标准进行时间同步，要求具有高达100μs的时间同步精度(即产生3.4毫米的测距误差)，保证测距的时钟同步需求。
[0062]
测距模块与信号处理模块、智能语音助手相连，测距模块内部署有第一麦克风阵列，第一麦克风阵列可以采用seeed公司出品的树莓派款respeaker阵列。在通信模块完成时钟同步且第一麦克风阵列和第二麦克风阵列初始化完成后，测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手和信号处理模块发送tx端啁啾信号，且测距模块从智能语音助手接收返回的rx端啁啾信号并将rx端啁啾信号发送至信号处理模块。
[0063]
信号处理模块与测距模块、计算机相连，从测距模块接收第一麦克风阵列发出的tx端啁啾信号和智能语言助手的第二麦克风阵列返回的rx端啁啾信号。
[0064]
信号处理模块部署有混频器，低通滤波器。混频器可以采用华光瑞芯公司的hg121ha型号，低通滤波器可以采用亚德诺公司的ltc1564型号。混频器与测距模块、低通滤波器相连，对从测距模块接收的tx端信号和rx端信号进行混合，得到if信号，将if信号发送给低通滤波器。低通滤波器与混频器、计算机相连，低通滤波器从混频器接收if信号，过滤掉if信号中频率高于150khz的高频成分，得到滤波后的if信号，将过滤掉高频成分的if信号通过wifi发送给计算机。
[0065]
计算机与通信模块、信号处理模块相连，计算机内置计算模块，计算模块是matlab程序，matlab程序要求版本不低于r2019a版本。通过建立的wifi连接从信号处理模块接收滤波后的if信号，分析滤波后的if信号，计算出移动机器人和智能语音助手之间的距离。
[0066]
第二步，初始化移动机器人中的第一麦克风阵列和智能语音助手中的第二麦克风阵列，方法是：移动机器人开启第一麦克风阵列的扬声器，并通过通信模块向智能语音助手发送开启麦克风阵列的指令，开启智能语音助手的第二麦克风阵列。
[0067]
第三步，移动机器人采用调频连续波即fmcw方法调制tx端啁啾信号，智能语音助手通过第二麦克风阵列向移动机器人返回rx端啁啾信号；移动机器人内置混频器对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，低通滤波器对混合后信号进行滤波，将滤波后的信号传输至计算机，方法是：
[0068]
3.1移动机器人的测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手发送tx端啁啾信号。
[0069]
如图3所示，啁啾信号(chirp signal)在人类听觉上类似于鸟叫声，其频率随时间呈线性变化，因此命名为啁啾信号。tx端啁啾信号频率f的变化如公式(1)所示：
[0070][0071]
公式中，f
min
指tx端啁啾信号频率的最小值，f
min
设计为10khz，b指tx端啁啾信号的带宽，b设计为4khz，t是tx端啁啾信号的周期，t设计为10.7ms，t为一个周期内的时间，0《t《t。
[0072]
tx端啁啾信号在t时间时的相位ω(t)如公式(2)所示：
[0073][0074]
3.2智能语音助手开启第二麦克风阵列扫描接收tx端啁啾信号。tx端啁啾信号在空气中传播，并在延迟td后到达智能语音助手的第二麦克风阵列。由于声音信号在现实空间中传播会有衰减，所以智能语音助手的第二麦克风阵列在t时刻接收到的tx端啁啾信号ur(t)如公式(3)所示：
[0075][0076]
在公式(3)中，t
′
是t在一个周期t中的最小正值，t
′
＝t
–
nt，td是tx端啁啾信号的传播时延，n是t/t的整数部分，α是tx端啁啾信号在空气中的衰减系数，取α＝0.166db/mm。
[0077]
3.3第二麦克风阵列形成rx端啁啾信号，如图4(a)所示，rx端啁啾信号的带宽与tx
端啁啾信号的带宽相等，rx端啁啾信号的周期和tx端啁啾信号的周期相同，rx端啁啾信号的频率最小值与tx端啁啾信号的频率最小值相等，rx端啁啾信号相对于tx端啁啾信号的时延为τ，将rx端啁啾信号发送给移动机器人的测距模块。
[0078]
3.4移动机器人的测距模块将rx端啁啾信号发送给信号处理模块。
[0079]
3.5移动机器人的信号处理模块的混频器根据中频抑制的原理，对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，得到混合后的信号中频抑制信号即if信号。将if信号发送给低通滤波器。
[0080]
if信号的频率是tx端啁啾信号频率和rx端啁啾信号频率的相减，if信号的相位是tx端啁啾信号的相位和rx端啁啾信号的相位的相减。基于该特点，得出if信号的表达式x
out
(t)：
[0081][0082]
3.6低通滤波器过滤掉if信号中频率高于150khz的高频成分，并将滤波后的if信号通过wifi发送给计算机中的计算模块。
[0083]
第四步，计算机的计算模块根据滤波后的if信号计算语音助手和机器人之间的距离。方法是：
[0084]
计算模块在时域上对滤波后的if信号做离散傅里叶变换(dft)，计算语音助手和机器人之间的距离。提取滤波后的if信号在频域上的频谱峰值f
p
。f
p
即是tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2的频率差值δf，在经过时延τ后，f
p
恒定不变，如图4(b)所示。f
p
与tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2之间的时延τ有如下关系：
[0085][0086]
其中，v是声音的速度，取340m/s、d是声源(移动机器人)和接收器(智能语音助手)的距离、b是tx端啁啾信号的带宽、t是tx端啁啾信号的周期长度。
[0087]
对公式(5)进行变化，距离d满足：
[0088][0089]
公式(6)的后一个等式中，fs是移动机器人的第一麦克风阵列的采样率，即单位时间内扫描的样点的数目，经验值为48khz，n是tx端啁啾信号扫描周期中样点的数目，由此可知扫描周期t＝n/fs。由公式(1)中设计的扫描周期t＝10.7ms，带宽b＝4khz可以得出一个fmcw扫描周期具有512个采样点，即n＝512。
[0090]
使用公式(6)中的第二个等式该公式中的n＝512、v＝340m\s、b＝4khz、fsfs＝48khz，由于在前述操作中已将if信号经过傅里叶变换并取出f
p
的值，因此通过公式(6)即可计算出移动机器人和智能语音助手的距离d。
[0091]
为了验证本发明的效果，在2
×2×
3m的空间对本发明进行实验，
[0092]
选择的智能语音助手是小米公司的小爱同学。
[0093]
智能语音助手内置的第二麦克风阵列中的麦克风数量为6，即选择六麦的阵列。
[0094]
移动机器人选择activmedia的pioneer3 at机器人。
[0095]
移动机器人内置通信模块采用tp-link公司的150mbit.s-1迷你型无线路由器。
[0096]
移动机器人测距模块内部的第一麦克风阵列采用seeed公司出品的树莓派款respeaker阵列。
[0097]
移动机器人内置信号处理模块中混频器选择华光瑞芯公司的hg121ha型号，低通滤波器选择亚德诺公司的ltc1564型号。
[0098]
计算机内置计算模块采用的matlab程序版本为r2019a版本。
[0099]
按上述测量出移动机器人和智能语音助手的距离，绘制出测距实验的误差图(三维误差图描述过于复杂，这里给出二维误差图，即移动机器人和智能语音助手在一个二维平面)如图5所示，智能语音助手位于左下原点，二维网格中的16个格子代表16个离散的测试点，每个测试点的横坐标和纵坐标都是0.5m的整数倍，每个格子中的数值代表移动机器人位于该格子内的测距误差，测距误差表示成测量距离与移动机器人和智能语音助手的实际距离的差值。单位是米，差值越小表示测量距离与实际距离越接近，测距精度越高。如图5从上到下第三行从左到右第3格所示，移动机器人在x轴的坐标为1.5m,y轴上坐标为1.5m,测量位置到原点的直线距离与实际位置到原点的直线距离差值为0.013m。
[0100]
从误差图中可以看出当距离变远后精度有所下降，这是因为距离变远后rx信号变弱，干扰了if信号的提取。

技术特征：
1.一种基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于包含如下步骤：第一步，构建交互测距系统，交互测距系统由一个智能语音助手、一个内置第一麦克风阵列的移动机器人和一台计算机组成；移动机器人和智能语音助手、计算机通过wifi建立通信；智能语音助手是具有第二麦克风阵列以及配备有发声用的扬声器的智能音箱；智能语音助手连接wifi，从移动机器人的第一麦克风阵列接收用户说出的语音，进行语音识别并完成用户指定的任务；移动机器人指配备有移动设备、具有移动能力，自动执行工作的机器设备，移动机器人内置通信模块、测距模块、信号处理模块；通信模块是移动机器人内置的无线路由器，通信模块与信号处理模块、计算机、智能语音助手相连，在移动机器人和计算机、智能语音助手三个设备之间建立wifi通信，完成时钟同步；测距模块与信号处理模块、智能语音助手相连，测距模块内部署有第一麦克风阵列；在通信模块完成时钟同步且第一麦克风阵列和第二麦克风阵列初始化完成后，测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手和信号处理模块发送tx端啁啾信号即发送端啁啾信号，且测距模块从智能语音助手接收返回的rx端啁啾信号即接收端啁啾信号，并将rx端啁啾信号发送至信号处理模块；信号处理模块与测距模块、计算机相连，从测距模块接收第一麦克风阵列发出的tx端啁啾信号和智能语言助手的第二麦克风阵列返回的rx端啁啾信号；信号处理模块部署有混频器，低通滤波器；混频器与测距模块、低通滤波器相连，对从测距模块接收的tx端信号和rx端信号进行混合，得到中频抑制信号即if信号，将if信号发送给低通滤波器；低通滤波器与混频器、计算机相连，低通滤波器从混频器接收if信号，过滤掉if信号中高频成分，得到滤波后的if信号，将过滤掉高频成分的if信号通过wifi发送给计算机；计算机与通信模块、信号处理模块相连，计算机内置计算模块，计算模块是matlab程序，通过建立的wifi连接从信号处理模块接收滤波后的if信号，分析滤波后的if信号，计算出移动机器人和智能语音助手之间的距离；第二步，初始化移动机器人中的第一麦克风阵列和智能语音助手中的第二麦克风阵列，方法是：移动机器人开启第一麦克风阵列的扬声器，并通过通信模块向智能语音助手发送开启麦克风阵列的指令，开启智能语音助手的第二麦克风阵列；第三步，移动机器人采用调频连续波方法即fmcw方法调制tx端啁啾信号，智能语音助手通过第二麦克风阵列向移动机器人返回rx端啁啾信号；移动机器人内置混频器对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，得到中频抑制信号即if信号，将if信号发送给低通滤波器；低通滤波器过滤掉if信号中高频成分，得到滤波后的if信号，将过滤掉高频成分的if信号通过wifi发送给计算机，方法是：3.1移动机器人的测距模块的第一麦克风阵列向智能语音助手发送tx端啁啾信号；tx端啁啾信号频率f的变化如公式(1)所示：
公式(1)中，f
min
指tx端啁啾信号频率的最小值，b指tx端啁啾信号的带宽，t是tx端啁啾信号的周期，t为一个周期内的时间，0<t<t；tx端啁啾信号在t时间时的相位ω(t)如公式(2)所示：3.2智能语音助手开启第二麦克风阵列扫描接收tx端啁啾信号；tx端啁啾信号在空气中传播，并在延迟t
d
后到达智能语音助手的第二麦克风阵列；智能语音助手的第二麦克风阵列在t时刻接收到的tx端啁啾信号u
r
(t)如公式(3)所示：公式(3)中，t
′
是t在一个周期t中的最小正值，t
′
＝t
–
nt，t
d
是tx端啁啾信号的传播时延，n是t/t的整数部分，α是tx端啁啾信号在空气中的衰减系数；3.3第二麦克风阵列形成rx端啁啾信号，rx端啁啾信号的带宽与tx端啁啾信号的带宽相等，rx端啁啾信号的周期和tx端啁啾信号的周期相同，rx端啁啾信号的频率最小值与tx端啁啾信号的频率最小值相等，rx端啁啾信号相对于tx端啁啾信号的时延为τ，将rx端啁啾信号发送给移动机器人的测距模块；3.4移动机器人的测距模块将rx端啁啾信号发送给信号处理模块；3.5移动机器人的信号处理模块的混频器根据中频抑制的原理，对tx啁啾信号和rx啁啾信号进行混合，得到混合后的信号中频抑制信号即if信号；将if信号发送给低通滤波器；if信号的频率是tx端啁啾信号频率和rx端啁啾信号频率的相减，if信号的相位是tx端啁啾信号的相位和rx端啁啾信号的相位的相减；if信号的表达式x
out
(t)：3.6低通滤波器过滤掉if信号中频率高于150khz的高频成分，并将滤波后的if信号通过wifi发送给计算机中的计算模块；第四步，计算机的计算模块根据滤波后的if信号计算语音助手和机器人之间的距离；方法是：计算模块在时域上对滤波后的if信号做离散傅里叶变换，计算语音助手和机器人之间的距离；提取滤波后的if信号在频域上的频谱峰值f
p
；f
p
即是tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2的频率差值δf，在经过时延τ后，f
p
恒定不变，f
p
与tx端啁啾信号x1和rx端啁啾信号x2之间的时延τ有如下关系：其中，v是声音的速度，取340m/s、d是声源即移动机器人和接收器即智能语音助手的距离、b是tx端啁啾信号的带宽、t是tx端啁啾信号的周期长度；对公式(5)进行变化，距离d满足：
公式(6)的后一个等式中，f
s
是移动机器人的第一麦克风阵列的采样率，即单位时间内扫描的样点的数目，n是tx端啁啾信号扫描周期中样点的数目，扫描周期t＝n/f
s
；使用公式(6)中的第二个等式该公式中的计算出移动机器人和智能语音助手的距离d。2.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于所述移动机器人采用activmedia的pioneer3 at机器人；所述移动机器人中的第一麦克风阵列采用seeed公司出品的树莓派款respeaker阵列，要求麦克风个数大于等于4；所述移动机器人中的通信模块采用tp-link公司的150mbit.s-1迷你型无线路由器；通信模块对移动机器人和智能语音助手采用ieee 1588 ptp标准进行时间同步，要求具有高达100μs的时间同步精度。3.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于所述智能语音助手选择小米公司的小爱同学、百度公司的小度智能音箱、阿里巴巴公司的天猫精灵中的任意一种；所述智能语音助手的第二麦克风阵列采用的是智能语音助手的内置麦克风阵列，要求麦克风个数大于等于6。4.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于所述信号处理模块中的混频器采用华光瑞芯公司的hg121ha型号，所述低通滤波器采用亚德诺公司的ltc1564型号。5.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于所述计算机中的计算模块采用的matlab程序要求版本不低于r2019a版本。6.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于3.1步所述公式(1)中f
min
设计为10khz，b设计为4khz，t设计为10.7ms；3.2步所述公式(3)中α＝0.166db/mm。7.如权利要求1所述的基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，其特征在于第四步公式(6)中的f
s
取值为48khz，n＝512。

技术总结
本发明公开了基于机器人内置麦克风阵列对语音助手主动测距的方法，目的是解决智能家居利用率低的问题。技术方案是构建由移动机器人、智能语音助手和计算机组成的交互测距系统。移动机器人、计算机、智能语音助手通过WIFI通信，移动机器人通过第一麦克风阵列发送基于频连续波方法调制的Tx端啁啾信号，智能语音助手在接收到Tx端啁啾信号后通过第二麦克风阵列向移动机器人返回Rx端啁啾信号。移动机器人内置混频器对Tx啁啾信号和Rx啁啾信号进行混合，低通滤波器对混合后信号进行滤波，将滤波后的信号传输至计算机，计算机中的计算模块计算智能语音助手和机器人之间的距离。本发明可以实现高精度测距，提高了智能家居利用率。提高了智能家居利用率。提高了智能家居利用率。


技术研发人员：张永敏 陈建熹 汤志鹏 李朝辉 张尧学
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/7/19