基于聲源定位、ins的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航與控制技術(shù)專利應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人是當(dāng)代自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展的典型體現(xiàn)，也代表著制造技術(shù)發(fā)展的新水平。機器人尤其是極限爬壁工作機器人的廣泛應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)力。要提高爬壁機器人作業(yè)的智能化水平，必須完善機器人的導(dǎo)航系統(tǒng)，而定位定向是導(dǎo)航的關(guān)鍵冋題。
[0003]國內(nèi)大部分爬壁機器人的定位和位姿信息僅采用簡單的姿態(tài)傳感器和航位推算法粗略表示，無法滿足機器人在壁面精確作業(yè)的任務(wù)需要。特別是應(yīng)用于飛機表面蒙皮損傷檢測的爬壁機器人的定位控制。因此，需要通過改善機器人精確定位定向的導(dǎo)航系統(tǒng)來提高機器人的本體智能。
[0004]慣性導(dǎo)航(i ner t i a I nav i gat i on )，是依據(jù)牛頓慣性原理，利用慣性元件(加速度計)來測量運載體本身的加速的，經(jīng)過積分和運算得到速度和位置，從而達到對運載體導(dǎo)航定位的目的。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS，Inertial Navigat1n System)的設(shè)備工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自助式定位系統(tǒng)。但慣性導(dǎo)航即使導(dǎo)航狀態(tài)的初始化估計精度很高，當(dāng)由包含漂移或偏差誤差和噪聲的慣性測量數(shù)據(jù)，積分求解導(dǎo)航狀態(tài)時，仍會有誤差積累。
[0005]聲源定位是指由若干聲源接收裝置按一定的方式布置在空間的不同位置組成陣列，對采集的聲音信號進行分析和處理在空間定出一個或多個聲源坐標，得到聲源的位置。但受儀器采樣速度、波速測量誤差、定位區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的影響，要通過聲源定位系統(tǒng)實現(xiàn)機器人精確的定位，還需要依靠輔助裝置在必要時進行定位輔助。
[0006]從上述的分析，聲源定位系統(tǒng)、INS (Inertial Navigat1n System)在特殊工作環(huán)境下單獨應(yīng)用具有較大的局限性，通過對上述不同感知系統(tǒng)信息的融合處理可以解決兩者對應(yīng)的缺陷，無疑可以提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】中所涉及到的缺陷，提供一種基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)及方法，利用聲源定位子系統(tǒng)對機器人攜帶的高低音頻聲源信號進行定位定向，以輔助INS組合定位。該方法可以整合多個子導(dǎo)航信息，克服了聲源定位系統(tǒng)易受采樣頻率的影響計INS的導(dǎo)航定位誤差隨時間延續(xù)不斷增大的缺陷。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括INS、INS處理單元、低音頻發(fā)聲裝置、高音頻發(fā)聲裝置、麥克風(fēng)聲源接收陣列、信號調(diào)理模塊和中央處理模塊；
所述INS通過INS處理單元相連和中央處理模塊相連，所述麥克風(fēng)聲源接收陣列通過信號調(diào)理模塊和中央處理模塊相連；
所述INS用于測量爬壁機器人的慣性數(shù)據(jù)并輸出給INS處理單元；
所述INS處理單元用于根據(jù)接收到的慣性數(shù)據(jù)計算得到爬壁機器人的位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；
所述低音頻發(fā)聲裝置、高音頻發(fā)聲裝置對稱安裝在爬壁機器人的兩側(cè)，分別用于發(fā)出低音和高音；
所述麥克風(fēng)聲源接收陣列的連線中心為機器人重心，用于接收所述低音頻發(fā)聲裝置、高音頻發(fā)聲裝置的聲源模擬信號，并將其輸出給所述信號調(diào)理模塊；
所述信號調(diào)理模塊用于對接收到的聲源模擬信號進行放大和偏置，并將其傳遞給所述中央處理模塊；
所述中央處理模塊包含數(shù)據(jù)采集卡和卡爾曼濾波模塊；
所述數(shù)據(jù)采集卡用于將經(jīng)過放大和偏置后的聲源模擬信號轉(zhuǎn)化為聲源數(shù)字信號，并將其傳遞給所述卡爾曼濾波模塊；
所述卡爾曼濾波模塊用于根據(jù)接收到的聲源數(shù)字信號對機器人的位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)進行校正，獲得爬壁機器人的定位導(dǎo)航信息。
[0009]作為本發(fā)明基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述麥克風(fēng)聲源接收陣列采用四元十字陣列。
[0010]作為本發(fā)明基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述INS包括三軸正交安裝的陀螺儀和三軸正交安裝的加速度計，所述陀螺儀用于提供三軸角速度測量值，所述加速度計用于提供三軸加速度測量值。
[0011]作為本發(fā)明基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述陀螺儀采用光釬陀螺儀。
[0012]作為本發(fā)明基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述加速度計采用娃微加速度計。
[0013]基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位方法，包含以下步驟:
步驟1)，利用INS獲取爬壁機器人的慣性數(shù)據(jù)；
步驟2)，根據(jù)爬壁機器人的慣性數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航積分計算，獲得爬壁機器人的INS位置數(shù)據(jù)、INS速度數(shù)據(jù)和INS姿態(tài)數(shù)據(jù)；
步驟3)，在爬壁機器人兩側(cè)分別設(shè)置高音頻發(fā)聲裝置和低音頻發(fā)聲裝置，并控制其以IHZ地頻率播放高低頻率聲音；
步驟4)，采用麥克風(fēng)四元陣列收集四組高低頻率聲音信號；
步驟5)，對四組高低頻率聲音信號進行放大和偏置后，將其分離為四組高頻率聲音信號和四組低頻率聲音信號；
步驟6)，根據(jù)四組高頻率聲音信號和四元陣列模型下的幾何定位公式，計算出高音頻發(fā)聲裝置的位置信息；
步驟7)，根據(jù)四組低頻率聲音信號和四元陣列模型下的幾何定位公式，計算出低音頻發(fā)聲裝置的位置信息；
步驟8)，根據(jù)高音頻發(fā)聲裝置和低音頻發(fā)聲裝置的位置信息計算出爬壁機器人的聲源定位位置數(shù)據(jù)和聲源定位姿態(tài)數(shù)據(jù)； 步驟9)，對爬壁機器人的INS位置數(shù)據(jù)、聲源定位位置數(shù)據(jù)進行濾波融合計算，獲得爬壁機器人的最終位置數(shù)據(jù)；
步驟10)，對爬壁機器人的INS姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲源定位姿態(tài)數(shù)據(jù)進行濾波融合計算，獲得爬壁機器人的最終姿態(tài)數(shù)據(jù)；
步驟11)，將爬壁機器人的最終位置數(shù)據(jù)、INS速度數(shù)據(jù)和最終姿態(tài)數(shù)據(jù)作為其導(dǎo)航定位信息輸出。
[0014]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.通過利用卡爾曼濾波對INS導(dǎo)航及聲音定位信息進行融合，有效的提高了爬壁機器人組合導(dǎo)航定位的精度；
2.通過利用聲源定位子系統(tǒng)對爬壁機器人攜帶的不同頻率的聲源進行定位。由于爬壁機器人工作區(qū)域環(huán)境模型已知，因此可以通過分析計算不同聲源的坐標得到爬壁機器人相對壁面的俯仰角、方位角信息。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明一種組合定位系統(tǒng)組成框圖；
圖2是本發(fā)明組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)信息融合算法框圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于聲源定位、INS的爬壁機器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括INS、INS處理單元、低音頻發(fā)聲裝置、高音頻發(fā)聲裝置、麥克風(fēng)聲源接收陣列、信號調(diào)理模塊和中央處理模塊；
所述INS通過INS處理單元相連和中央處理模塊相連，所述麥克風(fēng)聲源接收陣列通過信號調(diào)理模塊和中央處理模塊相連；
所述INS用于測量爬壁機器人的慣性數(shù)據(jù)并輸出給INS處理單元；
所述INS處理單元用于根據(jù)接收到的慣性數(shù)據(jù)計算得到爬壁機器人的位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；
所述低音頻發(fā)聲裝置、高音頻發(fā)聲裝置對稱安裝在爬壁機器人的兩側(cè)，分別用于發(fā)出低音和高音；
所述麥克風(fēng)聲源接收陣列的連線中心為機器人重心，用于接收所述低