基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统的制作方法

本发明涉及声学探测领域，具体涉及一种基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统。

背景技术：

1、即时定位与地图构建是机器人在未知环境中利用传感器进行实时定位和构建环境地图的技术，现已在无人驾驶、低空无人机与水下机器人等领域获得了广泛应用。现有即时定位技术所采用的常见传感器包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等。在密闭空间、地质灾害、矿井等极端复杂环境中，回波受烟雾、粉尘等干扰，激光雷达、毫米波雷达、视觉等感知方法面临“看不清”的难题；超声波雷达受声波传播衰减限制，探测距离短，面临“看不远”的难题。

2、相控参量阵将相控阵波束形成技术与非线性声学参量阵原理进行结合，利用两束不同频率的高频超声载波在空气中相互作用，通过差频效应产生低频声波。相控参量阵产生的低频波束宽度远窄于传统低频声信号发射系统，指向性更强；另一方面，由于声波在空气中的衰减效应随频率升高而急剧增强，因此相控参量阵产生的低频声信号较传统超声波雷达的探测距离更远。然而，目前的基于相控参量阵的即时定位与地图构建技术在烟雾、粉尘等复杂环境下仍面临“看不准、连不上”的传统难题，无法快速完成地图构建与人员搜救任务。

3、在常规建筑声学中，正十二面体声源通过将扬声器布置于十二面体的各个表面，在低频段形成各向同性辐射的声源。现有的一些研究者将超声波发射器均匀布置在球体表面，利用参量阵效应合成各向同性辐射的高频声源。但前两者均为对声源的构造，无法适应即时定位与地图构建。还有一些研究涉及到使用超声波发射阵列和超声波接收阵列实现定位，但均是将发射单元和接收单元中的一个设置在正多面体的顶点，且发射单元和接收单元分别设置于不同的器件上，仅能实现近距离的毫米和微米的缺陷定位或超声接收单元所在本体的无人机的定位，无法实现对周围环境尤其是复杂环境的探测，无法快速完成地图构建与人员搜救任务。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，通过将声信号发射器阵列和声信号接收器阵列均布置在多面体的每个面上，用于声学即时定位与地图构建，以实现在烟雾、粉尘等复杂环境下的准确探测，满足快速完成地图构建与辅助人员搜救任务的需求。

2、本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

3、一种基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，包括多面体、声信号发射单元、声信号接收单元、信号处理模块、中央控制模块、路径规划与地图构建模块；

4、所述声信号发射单元包括声波发射器阵列及与之配套的驱动电路，所述声信号发射单元具有相控参量阵发射模式和/或超声相控阵发射模式，根据接收到的中央控制模块不同的控制信号，工作在不同模式，发射超声波；

5、所述声信号接收单元包括声信号接收器阵列，用于采集声波信号在空间中传播遇到障碍物或目标时产生的回波信号；

6、所述多面体上的每个面上均布置有所述声波发射器阵列和声信号接收器阵列；

7、所述信号处理模块对声信号接收单元采集的回波信号进行处理，估算出障碍物或目标的空间信息；

8、所述中央控制模块用于向声信号发射单元输出控制信号，并对信号处理模块估算出的空间信息进行数据处理，根据需要输出远距离稀疏点云、近距离精细点云至路径规划与地图构建模块；同时接收路径规划与地图构建模块回传的地图盲区、障碍物分区、最优行进路径，动态切换远、近探测模式、调整多面体各面阵列声束偏转角度，实现探测策略自适应调整。

9、进一步地，所述声波发射器阵列为超声波发射器阵列。

10、进一步地，所述声信号接收器阵列为麦克风阵列。

11、进一步地，所述声信号接收器阵列为mems麦克风阵列。

12、进一步地，所述声波发射器阵列中超声波发射器的中心频率为20khz-2.45mhz。

13、进一步地，所述声波发射器阵列和声信号接收器阵列在所述多面体的所有单个表面上形成声波发射器和声信号接收器交错的分布阵列。

14、进一步地，所述中央控制模块对信号处理模块估算出的空间信息进行的数据处理，包括坐标配准、噪声滤波、全域坐标统一转换，生成全域三维点云数据集。

15、进一步地，所述多面体为正多面体，且至少为正四面体。

16、进一步地，所述声信号发射单元工作在相控参量阵发射模式时，用于探测与声波发射器阵列的距离超过预设距离的远距离障碍物或目标；所述声信号发射单元工作在超声相控阵发射模式时，用于探测与声波发射器阵列的距离不超过预设距离的近距离障碍物或目标。

17、一种基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统在无人机、机器人、无人车上的应用。

18、本发明的有益效果如下：

19、1、本发明通过在多面体的每个面上均分布声信号发射器阵列和声信号接收器阵列，可实现探测设备周身三维全域无盲区声波探测，不存在传统单面、单面阵超声 slam 的探测死角，实现在烟雾、粉尘等复杂环境下的准确探测，满足快速完成地图构建与辅助人员搜救任务的需求。

20、2、本发明可以直接安装在机器人、无人机、无人车等设备上，无需机械旋转云台，省去机械转动结构，降低设备体积、重量与故障概率，适配小型机器人集成搭载；本发明能够与设备的运动控制器实时双向数据交互，机器人移动过程中持续增量式采集环境声学数据，实时融合更新全域三维地图，无需停机建模。

21、3、本发明设置相控参量阵远距探测、超声相控阵近距探测两套独立工作模式，兼顾远距离大范围轮廓感知与近距离高精度三维建模。

22、4、本发明以中央控制模块作为全域调度与数据融合中枢，构建发射控制-回波采集-信号解算-数据预处理-三维建图-路径反馈的全闭环工作链路：中央控制模块统一完成多面体的所有面阵列原始探测数据的处理，根据需要输出远距离稀疏点云、近距离精细点云至地图构建模块；同时接收路径规划与地图构建模块回传的地图盲区、障碍物分区、最优行进路径，动态切换远/近探测模式、调整多面体各面阵列声束偏转角度，实现探测策略自适应调整，解决现有声学 slam“看不准、数据连不上”的痛点。

1.一种基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，包括多面体、声信号发射单元、声信号接收单元、信号处理模块、中央控制模块、路径规划与地图构建模块；

2.根据权利要求1所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声波发射器阵列为超声波发射器阵列。

3.根据权利要求2所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声信号接收器阵列为麦克风阵列。

4.根据权利要求3所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声信号接收器阵列为mems麦克风阵列。

5.根据权利要求2所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声波发射器阵列中超声波发射器的中心频率为20khz-2.45mhz。

6.根据权利要求1所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声波发射器阵列和声信号接收器阵列在所述多面体的所有单个表面上形成声波发射器和声信号接收器交错的分布阵列。

7.根据权利要求4所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述中央控制模块对信号处理模块估算出的空间信息进行的数据处理，包括坐标配准、噪声滤波、全域坐标统一转换，生成全域三维点云数据集。

8.根据权利要求1所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述多面体为正多面体，且至少为正四面体。

9.根据权利要求1所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统，其特征在于，所述声信号发射单元工作在相控参量阵发射模式时，用于探测与声波发射器阵列的距离超过预设距离的远距离障碍物或目标；所述声信号发射单元工作在超声相控阵发射模式时，用于探测与声波发射器阵列的距离不超过预设距离的近距离障碍物或目标。

10.一种如权利要求1~9中任意一项所述的基于多面体声学收发阵列的即时定位与地图构建系统在无人机、机器人、无人车上的应用。