一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法，实现对地面微小机器人群体的网域化定位定姿。本发明专利技术利用每台机器人的四元声阵列平台来实现，所述四元声阵列平台包括平台，平台上搭载有中心设置的声源、四角上各设置有一个声接收器，声源周围设置有电子罗盘和GPS模块，通过两个标准声源依次发声，通过一定的算法，计算非原点标准声源的坐标，然后再计算移动平台处声源的坐标，同时通过电子罗盘测得方位角，再进行计算后，实现对移动平台的定位定姿。本发明专利技术实现了网域化地面微小机器人群的精确定位，即避免外界电磁干扰的影响，又提高修正低成本GPS定位误差。而且不需要每一平台均使用高精度的GPS，降低了成本。

A Double Acoustic Positioning and Attitude Determination Method Based on Quaternion Acoustic Array Platform

The invention discloses a dual-sound positioning and posture determination method based on a quaternion acoustic array platform, which realizes the localization and posture determination of a group of micro-robots on the ground in a network domain. The invention is realized by using the four-element sound array platform of each robot. The four-element sound array platform includes a platform, on which a central sound source is mounted, and an acoustic receiver is arranged at four corners. An electronic compass and a GPS module are arranged around the sound source. The sound is produced sequentially by two standard sound sources, and the coordinates of the non-origin standard sound source are calculated by a certain algorithm, and then the coordinates of the non-origin standard sound source are calculated. Then the coordinates of the sound source at the mobile platform are calculated. At the same time, the azimuth angle is measured by the electronic compass. After calculating, the positioning and posture of the mobile platform are realized. The invention realizes the accurate positioning of the networked ground micro-robot group, which avoids the influence of external electromagnetic interference and improves the correction of low-cost GPS positioning error. And it does not need to use high-precision GPS for every platform, which reduces the cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法
本专利技术涉及定位定姿方法，具体为一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法。
技术介绍
由于普通民用GPS的定位精度为米级，且一般精度越高价格越昂贵，但是对于群体机器人来说，全部采用昂贵的GPS模块不太现实，而且利用GPS对群体目标定位则精度较低。电子罗盘容易受电磁环境的影响，给地面群体目标的控制及导航造成了很大的困难。为了解决网域化测量基准的要求较高，而各机器人采用低成本GPS的定位定姿的精度远达不到该要求的问题，同时解决电磁环境下GPS信号受干扰的问题、解决在战场上GPS可能关闭的情况，需要提供一种可以提高网域化地面微小机器人群群体中节点的定位精度的方法，以满足网域化测量基准的要求。
技术实现思路
本专利技术为了解决机器人在不采用低成本GPS还可以提高定位定姿精度，满足网域化测量基准的问题，提供了一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法。本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法，采用多个四元声阵列平台实现，所述四元声阵列平台包括平台，所述平台中心设置有一个声源、四角上各设置有一个声接收器，所述声源周围设置有电子罗盘和GPS模块，方法包括如下步骤：①先选定标准声源，随机选定一个四元声阵列平台作为原点，该平台和另一选定平台的连线作为Y轴，垂直该连线为X轴，将这两个平台作为标准声源，非原点处的声源发声，原点处平台上的声接收器阵列接收；根据声源距离各声接收器的距离r1,r2,r3,r4，解算出声源的坐标；原点处平台上声阵列的各声接收器坐标分别为：(-R,R),(R,R),(R,-R),(-R,-R)；R为声接收器阵列的孔径臂长；di＝cti其中：c是声速，ti是原点处声源发出的信号到达非原点处声源各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；非原点处声源坐标为(x0,y0)：其中x0＝0；得出：(其中)；即非原点处平台为(0,y0)；②以这两个平台为标准声源先后发声，根据移动平台上声接收器阵列拾取信号的时延来定位移动平台：原点处声源先发声，移动平台上的声接收器接收信号，接收端的各声接收器坐标分别为(xm,i,ym,i),i＝1,2,3,4，移动平台在此二维坐标系中的坐标为(x,y)；移动平台相对于原点处声源姿态的偏转角度为θ(0°≤θ≤360°)：d0i＝ct0i其中c是声速，t0i是原点处声源发出的信号到达移动平台各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；其中原点坐标为(0,0)，并且③非原点处标准声源后发声，移动平台上声接收器阵列接收信号：d1i＝ct1i其中c是声速，t1i是原点处声源发出的信号到达移动平台各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；其中非原点处标准声源坐标为(0,y0)；由式(1)和(3)可得：解得：由式(1)可得各声接收器的横坐标：xm,1：当0°≤θ≤135°或315°≤θ≤360°为负，当135°≤θ≤315°时为正；xm,2：当0°≤θ≤45°或225°≤θ≤360°为正，当45°≤θ≤225°时为负；xm,3：当0°≤θ≤135°或315°≤θ≤360°为正，当135°≤θ≤315°时为负；xm,4：当0°≤θ≤45°或225°≤θ≤360°为负，当45°≤θ≤225°时为正；由式(2)可得，则④两个标准声源和移动平台构成了一个三角形，由这个三角形，可在二维平面上得出移动平台相对于原点处声源的角度：原点处标准声源和移动平台的距离为：非原点处标准声源和移动平台的距离为：两标准声源的距离为：l1＝y0；则在二维平面上，移动平台相对于原点处声源的角度为：⑤由原点处声源搭载的GPS模块可以获得原点的大地坐标(X,Y)，进而得到移动平台的大地坐标(X+x,Y+y)；由原点处声源搭载的电子罗盘获得原点处声源的方位角Θ，进而得到移动平台的方位角本专利技术主要是采用了多个四元声阵列平台，在平台上均搭载了声接收器(麦克风)、电子罗盘、GPS模块以及声源，通过随机选取两个平台作为声源平台，且一个声源平台为原点，另一声源平台与第一个平台的连线设置为Y轴，垂直Y轴为X轴，而剩余的为移动平台，当两个平台上的声源轮流发声，则可以根据移动平台上声接收器阵列拾取信号的时延来定位移动平台，通过上述算法来给移动平台进行定位定姿。与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：在采用本专利技术所提供的双声定位法后，在各机器人采用低成本GPS模块时，其定位定姿精度也可以满足网域化测量基准的要求，避免了受到强烈电磁环境干扰时，仅使用GPS模块无法得知目标方位的问题，同时避免了在偏僻的地理位置时，由于运营商的基站较少导致的GPS模块信号弱、无法准确定位的劣势，解决了在战场上GPS可能关闭的问题。附图说明图1是四元声阵列平台示意图。图2是移动平台相对于原点处声源姿态的偏转角示意图。图3是双声定位解算示意图。图中标记如下：1-平台，2-声源，3-电子罗盘，4-GPS模块，5-声接收器。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法，采用多个四元声阵列平台实现，所述四元声阵列平台包括平台1，所述平台1中心设置有一个声源2、四角上各设置有一个声接收器5，所述声源2周围设置有电子罗盘3和GPS模块4，方法包括如下步骤：①先选定标准声源，随机选定一个四元声阵列平台作为原点O，如图3所示，该平台O和另一选定平台A的连线作为Y轴，垂直该连线为X轴，将这两个平台作为标准声源，A的声源发声，O平台上的声接收器阵列接收；根据A的声源距离各声接收器的距离r1,r2,r3,r4，解算出A的坐标；O平台上声阵列的各声接收器坐标分别为：(-R,R),(R,R),(R,-R),(-R,-R)；R为声接收器阵列的孔径臂长；di＝cti其中：c是声速，ti是原点处声源发出的信号到达非原点处声源各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；A平台的声源坐标为(x0,y0)：其中x0＝0；得出：(其中)；即A平台坐标为(0,y0)；②以这O、A两个平台为标准声源先后发声，根据移动平台B上声接收器阵列拾取信号的时延来定位移动平台B的位置：O平台声源先发声，移动平台B上的声接收器阵列接收信号，B的各声接收器坐标分别为(xm,i,ym,i),i＝1,2,3,4，B平台在此二维坐标系中的坐标为(x,y)；B平台相对于原点处声源姿态的偏转角度为θ(0°≤θ≤360°)：d0i＝ct0i其中c是声速，t0i是O的声源发出的信号到达B平台各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；其中原点O坐标为(0,0)，并且③A平台标准声源后发声，移动平台B上的声接收器阵列接收信号：d1i＝ct1i其中c是声速，t1i是原点处声源发出的信号到达移动平台B各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；其中A平台的标准声源坐标为(0,y0)；由式(1)和(3)可得：解得：由式(1)可得各声接收器的横坐标：xm,1：当0°≤θ≤135°或315°≤θ≤360°为负，当135°≤θ≤315°时为正；xm,2：当0°≤θ≤45°或225°≤θ≤360°为正，当45°≤θ≤225°时为负；xm,3：当0°≤θ≤135°或315°≤θ≤360°为正，当135°≤θ≤315°时为负；xm,4：当0°≤θ≤45°或225°≤θ≤360°为负，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法，采用多个四元声阵列平台实现，所述四元声阵列平台包括平台(1)，所述平台(1)中心设置有一个声源(2)、四角上各设置有一个声接收器(5)，所述声源(2)周围设置有电子罗盘(3)和GPS模块(4)，其特征在于：包括如下步骤：①先选定标准声源，选定一个四元声阵列平台作为原点，该平台和另一选定平台的连线作为Y轴，垂直该连线为X轴，将这两个平台作为标准声源，非原点处的声源发声，原点处平台上的声接收器阵列接收；根据声源距离各声接收器的距离r1,r2,r3,r4，解算出声源的坐标；原点处平台上声阵列的各声接收器坐标分别为：(‑R,R),(R,R),(R,‑R),(‑R,‑R)；R为声接收器阵列的孔径臂长；di＝cti其中：c是声速，ti是原点处声源发出的信号到达非原点处声源各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；非原点处声源坐标为(x0,y0)：

【技术特征摘要】
1.一种基于四元声阵列平台的双声定位定姿法，采用多个四元声阵列平台实现，所述四元声阵列平台包括平台(1)，所述平台(1)中心设置有一个声源(2)、四角上各设置有一个声接收器(5)，所述声源(2)周围设置有电子罗盘(3)和GPS模块(4)，其特征在于：包括如下步骤：①先选定标准声源，选定一个四元声阵列平台作为原点，该平台和另一选定平台的连线作为Y轴，垂直该连线为X轴，将这两个平台作为标准声源，非原点处的声源发声，原点处平台上的声接收器阵列接收；根据声源距离各声接收器的距离r1,r2,r3,r4，解算出声源的坐标；原点处平台上声阵列的各声接收器坐标分别为：(-R,R),(R,R),(R,-R),(-R,-R)；R为声接收器阵列的孔径臂长；di＝cti其中：c是声速，ti是原点处声源发出的信号到达非原点处声源各声接收器的时间，i＝1,2,3,4；非原点处声源坐标为(x0,y0)：其中x0＝0；得出：即非原点处平台为(0,y0)；②以这两个平台为标准声源先后发声，根据移动平台上声接收器阵列拾取信号的时延来定位移动平台：原点处声源先发声，移动平台上的声接收器阵列接收信号，接收端的各声接收器坐标分别为(xm,i,ym,i),i＝1,2,3,4，移动平台在此二维坐标系中的坐标为(x,y)；移动平台相对于原点处声源姿态的偏转角度为θ(0°≤θ≤360°)：d0i＝ct0i其中c是声速，t0i是原点处声源发出的信号到达移动平台各声接收器的时间，i＝1,2,3...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫，张文琼，杨玉华，石云波，刘珊，刘希宾，刘宁，曾亮，孟庆霄，王琳玮，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14