一种基于SLAM和SONAH融合的声纹监测方法及设备与流程

本技术涉及工业设备监测的领域，尤其是涉及一种基于slam和sonah融合的声纹监测方法及设备。

背景技术：

1、由于工业设备在日常生产生活中扮演着越来越重要的角色，为确保工业设备运行的安全可靠，就需要对监测区域的各设备的运行状态进行实时有效的监测。目前，大部分监测区域采用离线监测的方法，需要专门的工作人员对监测区域内的设备进行定期的检修，其工作量较大、人力成本较高。

2、随着国内监测区域智能化建设的快速推进，部分监测区域开发了一些在线监测系统，通过对监测区域运行时产生的声学信号进行实时采集，实现对监测区域内各设备运行状态的实时监测。

3、而作为声源识别的一种有效工具，近场声全息技术在监测区域运行状态的监测、设备噪声声源定位等方面有着广泛的应用前景。

技术实现思路

1、为解决现有离线监测存在的问题，本技术的目的在于提供一种基于slam和sonah融合的声纹监测方法及设备。

2、本发明提供了一种基于slam和sonah融合的声纹监测设备，包括设置在可移动支架上的即时定位与地图构建slam模块、统计最优近场声全息sonah模块和中央处理模块，所述中央处理模块分别和即时定位与地图构建slam模块、统计最优近场声全息sonah模块之间建立数据连接；

3、所述即时定位与地图构建slam模块，用于利用即时定位与地图构建slam技术，构建监测区域的三维地图以及所述监测区域内各设备的三维模型，并传输至所述中央处理模块；

4、所述统计最优近场声全息sonah模块，用于利用统计最优近场声全息sonah技术，获取所述监测区域内各设备运行时所产生声音的实时声场分布云图，并传输至所述中央处理模块；

5、所述中央处理模块，用于将接收到的实时声场分布云图与所述监测区域内各设备正常运行状态下的声场分布云图进行对比，对所述监测区域内各设备进行运行状态的实时监测：若实时声场分布云图与所述监测区域内各设备正常运行状态下的声场分布云图存在差异，则判定所述监测区域内存在出现运行异常的目标设备，差异之处对应的声源位置即为所述监测区域内出现运行异常的目标设备所在位置；并将对比得到的差异之处对应的声源位置，与所述监测区域的三维地图以及所述监测区域内各设备的三维模型进行配准，进而基于所述监测区域的设计资料，输出所述监测区域内出现运行异常的目标设备名称以及相应的声源位置。

6、作为本发明的进一步优化方案：所述声纹监测设备还包括设置在可移动支架上的栅格地图生成模块，所述栅格地图生成模块和所述中央处理模块之间建立数据连接；

7、所述栅格地图生成模块，用于为所述监测区域的场地建模，生成所述监测区域的场地的二维栅格地图，并将所述监测区域的场地划分为多个栅格类型的区域：设备区和空闲区；

8、所述中央处理模块，还用于将二维栅格地图与所述三维地图进行配准；在确定所述监测区域内出现运行异常的目标设备后，控制所述声纹监测设备移动至距离所述目标设备的声源位置最近的空闲区，重新利用所述声纹监测设备对所述目标设备进行运行状态的实时监测：将所述目标设备的实时声场分布云图与所述目标设备正常运行状态下的声场分布云图进行对比，若实时声场分布云图与所述目标设备正常运行状态下的声场分布云图存在差异，则判定所述目标设备出现运行异常，差异之处对应的声源位置即为所述目标设备上存在的异常点。

9、作为本发明的进一步优化方案：所述统计最优近场声全息sonah模块包括设置在可移动支架上的第一阵列板、第二阵列板以及数据处理分析单元，所述第一阵列板上设置有第一电动推杆阵列，所述第二阵列板上设置有麦克风阵列，且所述第一电动推杆与所述麦克风一一对应连接；所述麦克风阵列与所述数据处理分析单元之间建立数据连接；

10、所述可移动支架包括底座以及竖直设置在底座上表面的第二电动推杆，所述第二电动推杆的顶端设置有固定座，所述第一阵列板和所述第二阵列板竖直固定在所述固定座的顶端，且所述第一阵列板和所述第二阵列板平行；所述底座的下表面设置有一组转向轮、一组驱动轮、转向装置和驱动装置；

11、所述转向装置分别与一组转向轮连接，用于在所述中央处理模块的控制下，驱动转向轮转向，进而带动所述监测设备转向；

12、所述驱动装置分别与一组驱动轮连接，用于在所述中央处理模块的控制下，驱动驱动轮行进，进而带动所述监测设备移动；

13、每个所述第一电动推杆，用于在所述中央处理模块的控制下，带动对应的麦克风沿水平方向移动；

14、所述第二电动推杆，用于在所述中央处理模块的控制下，通过所述固定座带动所述第一阵列板和所述第二阵列板沿竖直方向移动；

15、所述麦克风阵列，用于实时采集所述监测区域内各设备运行时所产生的多通道声音信号，并传输至所述数据处理分析单元；

16、所述数据处理分析单元，用于根据接收到的多通道声音信号，获取所述监测区域内各设备运行时所产生声音的实时声场分布云图；

17、所述中央处理模块，还用于控制转向装置和驱动装置，使得所述声纹监测设备移动至距离所述目标设备最近的空闲区，同时使得麦克风阵列正面朝向所述目标设备；之后，控制第二电动推杆使得麦克风阵列的中心点与所述目标设备上存在的异常点处于同一水平面；再后，控制第一电动推杆使得麦克风阵列的测量面与其正对的所述目标设备的侧壁共形，重新利用所述声纹监测设备对所述目标设备进行运行状态的实时监测。

18、作为本发明的进一步优化方案：所述第二阵列板上开设有通孔阵列，所述通孔与所述麦克风一一对应，且所述通孔的孔径与所述麦克风的最大外径相适应；每个所述麦克风的端部还分别设置有一个测距单元；

19、所述测距单元，用于获取对应麦克风与所述目标设备的侧壁之间的距离；

20、所述中央处理模块，还用于控制第一电动推杆带动对应的麦克风沿水平方向移动，使得每个所述麦克风与所述目标设备的侧壁之间的距离相等，进而使得麦克风阵列的测量面与其正对的所述目标设备的侧壁共形。

21、作为本发明的进一步优化方案：所述声纹监测设备还包括设置在可移动支架上的路径规划模块，所述路径规划模块和所述中央处理模块之间建立数据连接；

22、所述路径规划模块，用于采用改进的a*路径规划算法对所述声纹监测设备的移动路径进行规划，在所述改进的a*路径规划算法中，对a*路径规划算法的代价函数进行改进，改进的代价函数为：

23、

24、其中，为所述声纹监测设备从当前栅格移动到邻近栅格处的实际距离，为邻近栅格与目标栅格之间的欧氏距离，为邻近栅格与目标栅格之间直线路径的危险系数，为所述声纹监测设备从邻近栅格移动到目标栅格的路径的转向代价；所述危险系数，n为邻近栅格与目标栅格之间直线路径经过的属于设备区的栅格数量，n为邻近栅格与目标栅格之间直线路径经过的栅格数量；所述转向代价，为当前栅格到邻近栅格的向量与邻近栅格到目标栅格的向量之间的夹角；

25、所述中央处理模块，还用于根据所述路径规划模块输出的路径规划结果，控制所述声纹监测设备移动至距离该目标设备最近的空闲区。

26、本发明还提供一种基于如上所述的声纹监测设备的监测方法，所述监测方法包括：

27、利用即时定位与地图构建slam技术，构建所述监测区域的三维地图以及所述监测区域内各设备的三维模型；

28、利用统计最优近场声全息sonah技术，获取所述监测区域内各设备运行时所产生声音的实时声场分布云图；

29、将实时声场分布云图与所述监测区域内各设备正常运行状态下的声场分布云图进行对比，若实时声场分布云图与所述监测区域内各设备正常运行状态下的声场分布云图存在差异，则判定所述监测区域内存在出现运行异常的目标设备，差异之处对应的声源位置即为所述监测区域内出现运行异常的目标设备所在位置；

30、将对比得到的差异之处对应的声源位置，与所述监测区域的三维地图以及所述监测区域内各设备的三维模型进行配准，进而基于所述监测区域的设计资料，确定所述监测区域内出现运行异常的目标设备，并输出所述监测区域内出现运行异常的目标设备名称，实现对所述监测区域内各设备运行状态的实时监测。

31、作为本发明的进一步优化方案：所述监测方法还包括：

32、为所述监测区域的场地建模，生成所述监测区域的场地的二维栅格地图，并将所述监测区域的场地划分为多个栅格类型的区域：设备区和空闲区；

33、在确定所述监测区域内出现运行异常的目标设备后，控制所述声纹监测设备移动至距离所述目标设备的声源位置最近的空闲区，重新利用所述声纹监测设备对所述目标设备进行运行状态的实时监测：将所述目标设备的实时声场分布云图与所述目标设备正常运行状态下的声场分布云图进行对比，若实时声场分布云图与所述目标设备正常运行状态下的声场分布云图存在差异，则判定所述目标设备出现运行异常，差异之处对应的声源位置即为所述目标设备上存在的异常点。

34、作为本发明的进一步优化方案：确定所述目标设备上存在的异常点之后，所述监测方法还包括：

35、对与所述目标设备正常运行状态下的声场分布云图存在差异的实时声场分布云图进行特征提取后，利用预训练的支持向量机，对所述目标设备的故障类别进行判定。

36、作为本发明的进一步优化方案：所述监测方法还包括：

37、采用改进的a*路径规划算法对所述声纹监测设备的移动路径进行规划，得到路径规划结果；其中，在所述改进的a*路径规划算法中，对a*路径规划算法的代价函数进行改进，改进的代价函数为：

38、

39、其中，为所述声纹监测设备从当前栅格移动到邻近栅格处的实际距离，为邻近栅格与目标栅格之间的欧氏距离，为邻近栅格与目标栅格之间直线路径的危险系数，为所述监测设备从邻近栅格移动到目标栅格的路径的转向代价；

40、基于所述路径规划结果，控制所述声纹监测设备移动。

41、作为本发明的进一步优化方案：所述危险系数，其中n为邻近栅格与目标栅格之间直线路径经过的属于设备区的栅格数量，n为邻近栅格与目标栅格之间直线路径经过的栅格数量；

42、所述转向代价，其中，为当前栅格到邻近栅格的向量与邻近栅格到目标栅格的向量之间的夹角。

43、本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述监测方法所述的步骤。

44、本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括有存储器，处理器以及一个或者一个以上的程序，其中所述一个或者一个以上程序存储于所述存储器中，且经配置以由所述处理器执行上述监测方法的步骤。

45、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

46、1. 采用统计最优近场声全息sonah技术，实时获取监测区域内各设备运行时的声场分布云图，对监测区域内各设备的运行状态进行监测，有利于实现监测区域的全生命周期的健康管理，为保障电网安全可靠运行提供有效技术支撑；

47、2. 结合即时定位与地图构建slam技术，构建监测区域的三维地图以及监测区域内各设备的三维模型，对监测区域内出现异常的设备进行精准定位；

48、3. 设置可移动支架，使得监测设备能够在监测区域内自由移动，以实现对监测区域不同位置的声音采集，并且保证声音采集时装置的稳定性；

49、4. 设计一种新的统计最优近场声全息sonah模块结构，通过电动推杆使得麦克风阵列可以在竖直方向移动，已实现对异常设备的异常点的近距离声音采集；同时，通过电动推杆使得麦克风阵列的测量面能够与异常设备的表面共形，确保声音采集的可靠性，提高异常设备声场重构的精准度；

50、5. 提出一种改进的路径规划方法，合理规划监测设备的移动路径。