徐 勝 ，楊 衛(wèi) ，曹張玉 *

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

多機(jī)器人無論在感知能力上還是運(yùn)動能力上，都擁有單個(gè)機(jī)器人無法比擬的優(yōu)勢，是當(dāng)前人工智能和移動機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題之一。其中協(xié)作定位技術(shù)是多機(jī)器人研究的基礎(chǔ)問題［1］。協(xié)作定位是指多機(jī)器人通過協(xié)作確定相互位置［2］，是動態(tài)規(guī)劃、編隊(duì)控制、地圖構(gòu)建的前提和基礎(chǔ)。

目前多機(jī)器人的協(xié)作定位多采用GPS、超聲波測距、激光測距、機(jī)器視覺等，這些定位技術(shù)要么對使用環(huán)境有較多限制，要么需要外圍路標(biāo)或信標(biāo)，要么具有較強(qiáng)的方向性［3］。而聲定位不具有方向性、時(shí)間分辨率高［4］，對環(huán)境具有一定的適應(yīng)性，能夠較好的完成協(xié)作定位。

1 系統(tǒng)硬件平臺

多機(jī)器人協(xié)作定位系統(tǒng)將傳聲器陣列和聲信標(biāo)放置在移動平臺上，組合無線模塊構(gòu)成無線傳聲器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)在平整路況下的協(xié)作定位，并且完成位置和姿態(tài)初步調(diào)整，即“尋北”功能。

1.1 機(jī)器人移動平臺

機(jī)器人采用輪式移動平臺，長42 cm，寬32 cm，四輪驅(qū)動。由于協(xié)作定位系統(tǒng)采用點(diǎn)聲源，遮擋對聲音傳播有一定影響，故需將聲信標(biāo)及傳聲器陣列放置在移動平臺頂端，并附加聲音散射蓋保證聲音向四周傳播。

圖1 移動平臺示意圖

1.2 聲信標(biāo)及傳聲器

聲信標(biāo)選用惠威M3S揚(yáng)聲器，全頻帶頻率響應(yīng)，額定功率15 W，靈敏度（2.83 V/1 m）為81 dB。同時(shí)考慮環(huán)境噪聲、聲遮擋、信號采樣率、環(huán)境混響干擾等諸多因素，確定信號頻率為1 kHz～2 kHz，脈寬為10 ms～30 ms。將聲信標(biāo)放置在移動平臺上，由主控模塊搭配功放模塊完成發(fā)聲動作。發(fā)聲信號如圖2所示。

傳聲器采用駐極體自由場1/2 inch傳聲器，開路靈敏度為50 mV/Pa，頻率響應(yīng)范圍為20 Hz～20 kHz。動態(tài)范圍（3%失真）大于146 dB。

圖2 聲信標(biāo)發(fā)聲信號

1.3 無線模塊

無線模塊選用采用EWRF3022UAH系列無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸延遲時(shí)間小于1 ms，可靠傳輸距離達(dá)到4 000 m；數(shù)據(jù)接口為TTL電平。

1.4 主控模塊

系統(tǒng)選用TMS320C6747高速數(shù)字信號處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，主要進(jìn)行聲定位、誤差修正、姿態(tài)調(diào)整及數(shù)據(jù)傳遞。主控芯片將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得位置信息，通過協(xié)作定位算法得出各機(jī)器人方位，并控制機(jī)器人完成位置姿態(tài)調(diào)整。

2 協(xié)作定位

協(xié)作定位是多機(jī)器人協(xié)作的基礎(chǔ)，指機(jī)器人利用自身所攜帶傳感器感知自身以及其他機(jī)器人的位置和姿態(tài)，并能根據(jù)位姿信息進(jìn)行位姿調(diào)整。該協(xié)作定位系統(tǒng)采用無線傳聲器網(wǎng)絡(luò)的聲定位作為基礎(chǔ)，完成定位及初始位姿調(diào)整。

很多學(xué)者對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的概念進(jìn)行了內(nèi)涵闡釋和溯源追蹤。目前關(guān)于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育所形成的共識是指學(xué)生充分運(yùn)用其所掌握的知識、技能、信息和機(jī)會等資源，以創(chuàng)新的思維實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展素質(zhì)的目的。但其中仍然存在著很多需要改進(jìn)的地方，包括高校、社區(qū)、企業(yè)、學(xué)生、教師等在內(nèi)的各方行動主體對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)仍然存在認(rèn)識不一致、認(rèn)知不全面的誤區(qū)和偏差，如認(rèn)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)僅是為了應(yīng)對就業(yè)壓力的權(quán)益之舉，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)僅是社區(qū)短期培訓(xùn)或是高校就業(yè)創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)中心的職責(zé)，等等。

2.1 聲定位

聲定位是將傳聲器在空間布置成一定幾何形狀的陣列，以接收目標(biāo)的聲場信息。通過計(jì)算各傳聲器拾取信號的時(shí)延來確定信標(biāo)位置。在該系統(tǒng)中采用結(jié)構(gòu)相對簡單，數(shù)據(jù)處理方便的四元平面均勻圓陣［5］。

將傳聲器均勻放置在移動平臺正上方，以平臺形心為圓心，以孔徑D（D為30 cm）為半徑的圓上，并使坐標(biāo)系Y軸與移動平臺直行方向重合。示意圖如3所示：（圖中虛線方框?yàn)橐苿悠脚_）

圖3 四元平面均勻圓陣陣型圖及定位示意圖

其中 4 個(gè)陣元s1、s2、s3、s4為傳聲器，坐標(biāo)分別為（D，0），（0，D），（-D，0），（0，-D）。設(shè)聲信標(biāo)坐標(biāo)為（x，y，z），球面坐標(biāo)為（γ，Ψ，θ），則聲信標(biāo)距原點(diǎn)距離為γ，方位角為Ψ，俯仰角為θ。

假設(shè)聲信號以球面波的形式傳播，到達(dá)陣元s1、s2、s3、s4的時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4，則信標(biāo)坐標(biāo)與時(shí)間及圓陣孔徑D的關(guān)系式可推導(dǎo)如下：（c為聲速）

由式1可知，要得出信標(biāo)位置信息，只需要測出t1、t2、t3、t4即可。誤差主要來自時(shí)延估計(jì)誤差、測距誤差［6-7］。整個(gè)聲定位過程框圖如圖4所示。

圖4 聲定位過程

2.2 機(jī)器人的協(xié)作定位

多機(jī)器人的協(xié)作定位是指個(gè)體能夠感知相互之間位置信息、姿態(tài)信息，并能將個(gè)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系，即完成坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)變換采用平面四參數(shù)法，考慮到全局坐標(biāo)是以某個(gè)個(gè)體坐標(biāo)系為準(zhǔn)以及布爾莎模型的適用范圍和精度［8］，故采用布爾莎模型進(jìn)行坐標(biāo)系變換。布爾莎模型是將一個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、比例縮放轉(zhuǎn)換成另一個(gè)坐標(biāo)系，如圖5將A坐標(biāo)系作為全局坐標(biāo)系，據(jù)布爾莎模型將坐標(biāo)系B轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系A(chǔ)下的坐標(biāo)有：

其中（XB，YB）指B坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)B′，XB2A，YB2A指點(diǎn)B′在A坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，k是比例縮放系數(shù)，ΔX、ΔY分別代表每個(gè)軸向的坐標(biāo)平移，α（0°～359.9°）是坐標(biāo)系B與A的旋轉(zhuǎn)角。

圖5 機(jī)器人協(xié)作定位示意圖

機(jī)器人A、B相互聲定位可得知：（1）機(jī)器人B在坐標(biāo)系A(chǔ)下的坐標(biāo)（XB-A，YB-A）；（2.）機(jī)器人A在坐標(biāo)系B中的（XA-B，YA-B）。由于機(jī)器人坐標(biāo)系的比例尺不存在縮放現(xiàn)象，故比例縮放參數(shù)k為0。將兩個(gè)機(jī)器人相互聲定位測得的兩個(gè)坐標(biāo)代入式（2）可簡化成下式：

由式3可求出坐標(biāo)系B的旋轉(zhuǎn)角∠α，為簡化計(jì)算，保證信息傳遞的實(shí)時(shí)性，將機(jī)器人B轉(zhuǎn)角∠α，與坐標(biāo)系A(chǔ)統(tǒng)一坐標(biāo)系方向，完成位姿初調(diào)以簡化坐標(biāo)變換運(yùn)算。此時(shí)有：

2.3 多機(jī)器人協(xié)作定位

多機(jī)器人協(xié)作定位是在A、B機(jī)器人完成定位及位姿初調(diào)的基礎(chǔ)上，通過A機(jī)器人依次與其他機(jī)器人進(jìn)行定位及姿態(tài)或位置調(diào)整，完成多機(jī)器人的協(xié)作定位。

圖6多機(jī)器人姿態(tài)確定示意圖

機(jī)器人A、B分別發(fā)聲，此時(shí)機(jī)器人C得到A、B的坐標(biāo)（XA-C，YA-C）（XB-C，YB-C），考慮到式5中A、B坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，有式6：

據(jù)式（5）可得出坐標(biāo)系C與A的旋轉(zhuǎn)角∠α以及平移ΔX、ΔY，由此完成機(jī)器人C的定位及位姿調(diào)整。同理其余機(jī)器人的定位也可完成。

多機(jī)器人定位精度除了取決于聲定位精度外，還與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換精度、機(jī)器人位姿調(diào)整中慣性器件以及機(jī)械誤差有關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)以上分析，在主控模塊編寫了協(xié)作定位程序。在不同的環(huán)境噪聲條件下，在標(biāo)記好4個(gè)機(jī)器人最終方位的水泥地面上，進(jìn)行了多組協(xié)作定位驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定1號機(jī)器人為基準(zhǔn)機(jī)器人（坐標(biāo)（0，0））直接放置在1號標(biāo)記中，2號、3號、4號機(jī)器人作為從機(jī)器人隨機(jī)擺放。在所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果中挑選了兩組具有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 噪聲環(huán)境下協(xié)作定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 安靜環(huán)境下協(xié)作定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明安靜環(huán)境下協(xié)作定位效果較好，平均距離偏差0.7 m，方差為0.75，姿態(tài)偏差2.5°，方差為0.8；噪聲環(huán)境下協(xié)作定位偏差較大，平均距離偏差1.4 m，方差為1.1，8.2°，方差為1，且表現(xiàn)出一定的方向相關(guān)性。

4 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)以聲定位作為基本原理，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人的協(xié)作定位。在安靜環(huán)境下多機(jī)器人協(xié)作定位效果較好，定位距離較遠(yuǎn)，距離偏差和角度偏差都較小，有一定的環(huán)境適應(yīng)性，具有較重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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徐 勝（1989-），男，河北辛集人，碩士研究生，精密儀器及機(jī)械專業(yè)，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c智能控制，xush?eng4204@sina.com；

曹張玉（1988-），女，山西長治人，碩士研究生，測試計(jì)量技術(shù)專業(yè)，主要研究方向?yàn)閭鞲衅鳒y試，13653658957@sina.cn。

楊 衛(wèi)（1957-），男，山西太原人，研高工，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)域化微武器系統(tǒng)，yangwei@nuc.edu.cn；