一种基于群机器人的室内静止声源定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于群机器人的室内静止声源定位方法，该定位方法采用多个机器人进行室内声源定位，每个机器人搭载单个麦克风，结构简单，提高了定位过程中的容错率。定位过程中进行多次声源位置计算，通过向声源不断靠近获取更高的定位精度。在每次声源位置计算中，根据机器人的数量进行分组定位，最后再根据每组的定位结果与所有组定位结果的平均值的差值分配权重，将每组结果乘以权重累计相加后得到最终的某一时刻声源位置判断。通过对多组不同时刻的声源位置估计值赋以权重，得到最佳声源位置。参考麦克风的设置简化了群机器人在定位过程中的计算量，通过多个机器人协作和多次移动提高定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于群机器人的室内静止声源定位方法
本专利技术属于声源位置定位
，具体是一种基于群机器人的室内静止声源定位方法。
技术介绍
随着机器人领域的发展，机器人的应用场景越来越广泛，室内扫地机器人、服务机器人等出现在人们的生活当中，机器人室内声源定位借助于声音传感器，使机器人具备听觉系统，弥补了暗光和黑暗条件下视觉传感器失效的缺点，使机器人的可工作环境更加广泛。机器人声源定位技术需要借助麦克风等声音传感器，并且往往需要多个麦克风才能较好的定位出声源的位置。目前的研究大多是将集成多个麦克风的麦克风阵列搭载在单个机器人上，来实现室内条件下声源目标的位置判断，受到机器人自身故障和噪声等环境因素的影响，容错性较差。群机器人是由多个相同的结构简单的机器人组成的，具有较高的容错性和鲁棒性，并且能够通过机器人相互间的配合来实现更精准的定位。CN109001682A提出了一种机器人声源定位方法，利用互相关算法计算声源信号到各个麦克风对之间的时延差，降低计算的复杂度。CN108254721A提出了一种二维麦克风阵列的声源定位方法，根据第一麦克风和第二麦克风获取到声音能量值以及第一麦克风和第二麦克风的位置关系来确定目标声源相对于机器人的方位区间。以上专利所提及的声源定位方法都是多个机器人搭载多个麦克风组成的麦克风阵列来进行声源定位，麦克风的相对位置固定，无法通过改变麦克风之间的相对位置来获取最优的声源位置。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：利用搭载单个麦克风的多个机器人相互协作，通过不同机器人接收声音的时间差和机器人之间的相对位置关系对声源目标的方向和距离进行计算来实现声源目标的定位。克服了单个机器人进行声源定位时因为自身故障而导致的无法定位，多个机器人在定位过程中离散分布在各个位置，相比于单个机器人，可以更精确的计算出声源目标的位置。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：设计一种基于群机器人的室内静止声源定位方法，其特征在于，该定位方法的步骤如下：第一步，确定初始状态下机器人的坐标关系：定义全局坐标系，将搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4放置于已知的初始位置，定义机器人R1、R2、R3、R4的初始t0时刻坐标分别为设定每个机器人为圆形，每个机器人初始时的相对位置固定，每个麦克风位于机器人中心处，即麦克风的坐标与机器人坐标相同；第二步，群机器人声音到达时间的采集：假定t0时刻搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4采集到的声音的到达时间分别为T1、T2、T3、T4，然后控制四个机器人分别随机以不同速度朝着声源方向进行，隔一个固定时间后到t1时刻，再次采集声音到达时间，记录四个机器人R1、R2、R3、R4在t1时刻采集到的声音的到达时间T1、T2、T3、T4；每隔固定时间采集声音到达时间，记录每一个采集时刻得到的声音的到达时间，经过N个固定时间后得到N+1个声音的到达时间的数据集；第三步，声源坐标的计算：在利用声音到达时间差来进行计算时，机器人所搭载的麦克风接收到的声音信号近似为平面波，即声场为远场模型；设置一个固定位置的麦克风作为参考麦克风，参考麦克风与声源的真实位置的距离已知；设定所有机器人的麦克风接收到的声音信号模型是理想模型，即环境噪声用高斯白噪声近似代替，设定声源产生的声音信号为S(t)，其中，t表示各个声源发声对应的时间，每个机器人接收到的声音信号Si(t)如下公式(1)所示：Si(t)＝αS(t-Ti)+n(t)(1)公式(1)中，Si(t)表示第i个机器人接收到声音信号与时间t的函数关系，i＝(1,2,3,4)，t为相应的麦克风接收到声音信号对应的时间，α表示声音信号到麦克风的幅度衰减系数，Ti表示声音信号到第i个机器人的时间延迟、n(t)表示环境噪声信号，S(t-Ti)表示具有时间延迟Ti的声源产生的声音信号，Si(t)和n(t)互不相关；根据每个机器人上的麦克风接收到的声音信号的波形，计算出当前时刻的声音的到达时间；根据每个时刻搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4采集到的声音的到达时间T1、T2、T3、T4，结合四个机器人在当前时刻的坐标数据，计算在当前时刻声源的坐标，具体的操作方式为：将四个搭载麦克风的机器人分为两组，机器人R1和R2为一组，机器人R3和R4为一组，取同一组的机器人采集到的声音的到达时间的最大值，即假定t时刻:A＝max(T1,T2)(2)B＝max(T3,T4)(3)定义机器人R1、R2、R3、R4的t时刻坐标分别为参考麦克风Ms与声源真实距离为ds，接收到声音时间为Ts，Ts＝ds/C，C为声速；由此，t时刻R1与R2之间的声音时间差距离为d12,C为声速，有：d12＝C·(T1-T2)(4)t时刻R1与R2之间的直线距离为L12：t时刻R1和R2之间的直线距离与估计声源位置角度为θ1：由t时刻机器人R1、R2的坐标值以及公式(4)、(5)、(6)得到声源位置的估计值(xs1·r12,ys1·r12)：同理可得t时刻机器人R3、R4的声源位置的估算值(xs2·r34,ys2·r34)：根据上述两组机器人得到的两组声源位置的估算值，计算两组声源位置的估算值的平均值，然后计算每组声源位置的估算值相对于平均值的差值分配权重，最后将每组声源位置的估算值乘以差值分配权重，累计相加后得到t时刻声源坐标估计值两组声源位置的估算值的坐标均值计算如下：两组声源位置的估算值的差值分配权重：t时刻声源坐标估计值按照上述操作方式，依次计算出每一个时刻声源坐标估计值；第四步，最佳声源位置计算：将步骤三中计算出的每一个时刻声源坐标估计值求平均值，然后计算每个时刻声源坐标估计值相对于平均值的差值分配权重，最后将每个时刻声源坐标估计值乘以差值分配权重，累计相加后得到最佳声源坐标估计值。与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：1.采用多个机器人进行室内声源定位，每个机器人搭载单个麦克风，结构简单，提高了定位过程中的容错率。2.定位过程中进行多次声源位置计算，通过向声源不断靠近获取更高的定位精度。3.在每次声源位置计算中，可以根据机器人的数量进行分组定位，最后再根据每组的定位结果与所有组定位结果的平均值的差值分配权重，将每组结果乘以权重累计相加后得到最终的某一时刻声源位置判断。4.通过对多组不同时刻的声源位置估计值赋以权重，得到最佳声源位置。5.参考麦克风的设置简化了群机器人在定位过程中的计算量，通过多个机器人协作和多次移动提高定位精度。附图说明图1是本专利技术基于群机器人的室内静止声源定位方法一种实施例的t0时刻的机器人位置示意图；图中R1、R2、R3、R4分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于群机器人的室内静止声源定位方法，其特征在于，该定位方法的步骤如下：/n第一步，确定初始状态下机器人的坐标关系：/n定义全局坐标系，将搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4放置于已知的初始位置，定义机器人R1、R2、R3、R4的初始t0时刻坐标分别为

【技术特征摘要】
1.一种基于群机器人的室内静止声源定位方法，其特征在于，该定位方法的步骤如下：
第一步，确定初始状态下机器人的坐标关系：
定义全局坐标系，将搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4放置于已知的初始位置，定义机器人R1、R2、R3、R4的初始t0时刻坐标分别为设定每个机器人为圆形，每个机器人初始时的相对位置固定，每个麦克风位于机器人中心处，即麦克风的坐标与机器人坐标相同；
第二步，群机器人声音到达时间的采集：
假定t0时刻搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4采集到的声音的到达时间分别为T1、T2、T3、T4，然后控制四个机器人分别随机以不同速度朝着声源方向进行，隔一个固定时间后到t1时刻，再次采集声音到达时间，记录四个机器人R1、R2、R3、R4在t1时刻采集到的声音的到达时间T1、T2、T3、T4；每隔固定时间采集声音到达时间，记录每一个采集时刻得到的声音的到达时间，经过N个固定时间后得到N+1个声音的到达时间的数据集；
第三步，声源坐标的计算：
在利用声音到达时间差来进行计算时，机器人所搭载的麦克风接收到的声音信号近似为平面波，即声场为远场模型；设置一个固定位置的麦克风作为参考麦克风，参考麦克风与声源的真实位置的距离已知；
设定所有机器人的麦克风接收到的声音信号模型是理想模型，即环境噪声用高斯白噪声近似代替，设定声源产生的声音信号为S(t)，其中，t表示各个声源发声对应的时间，每个机器人接收到的声音信号Si(t)如下公式(1)所示：
Si(t)＝αS(t-Ti)+n(t)(1)
公式(1)中，Si(t)表示第i个机器人接收到声音信号与时间t的函数关系，i＝(1,2,3,4)，t为相应的麦克风接收到声音信号对应的时间，α表示声音信号到麦克风的幅度衰减系数，Ti表示声音信号到第i个机器人的时间延迟、n(t)表示环境噪声信号，S(t-Ti)表示具有时间延迟Ti的声源产生的声音信号，Si(t)和n(t)互不相关；根据每个机器人上的麦克风接收到的声音信号的波形，计算出当前时刻的声音的到达时间；
根据每个时刻搭载单个麦克风的四个机器人R1、R2、R3、R4采集到的声音的到达时间T1、T2、T3、T4，结合四个机器人在当前时刻的坐标数据，计算在当前时刻声源的坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙昊，陆国庆，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12