孫梅

摘 要：當同一環(huán)境中存在多個機器人時，很容易發(fā)生碰撞問題。為了避免該問題出現(xiàn)，需要對機器人的所在位置進行準確定位。在實際的定位過程中，有效的定位方法主要包含全局定位和相對定位兩種。本文從聲源定位的概念入手，對基于聲音的分布式多機器人相對定位進行研究。

關鍵詞：聲音；分布式；多機器人；相對定位

隨著機械技術、智能技術等相關技術的不斷發(fā)展，機器人的數(shù)量變得越來越多。當在某一領域的環(huán)境中同時存在多個機器人時，需要通過定位技術的應用防止它們產(chǎn)生相互干擾。從整體角度講，基于聲音的相對定位技術能夠更好地實現(xiàn)多機器人定位目的。

一、基于聲音的分布式多機器人相對定位

（一）基于聲音的分布式多機器人相對定位算法

基于聲音的分布式多機器人相對定位的有效算法主要包含以下幾種：

1.協(xié)作定位

協(xié)作定位建立在機器人聲音收發(fā)狀態(tài)確定的基礎上，這種算法的作用是通過坐標換算實現(xiàn)的。由于分布式多機器人的相對定位常常會受到實時性因素的影響，因此，在實際的相對定位過程中，應該對發(fā)生機器人的數(shù)量進行有效控制。

在協(xié)作定位算法中，坐標值變換的實現(xiàn)建立在以下定理中：假設二維空間中存在一個具有未知特點的X軸獨立直角坐標系，除此之外，該空間中還包含幾個不同的坐標原點。以該二維空間中的兩個任意點為例，相對于該空間中所含坐標系中的所有坐標值而言，這兩個任意點屬于已知狀態(tài)，因此，可以在該二維空間的所有坐標系中進行坐標變換。假設某環(huán)境中同時存在5個機器人，分別將其命名為L1、L2、L3、L4、L5。將L1作為聲源進行發(fā)聲，利用聲源定位算法可以得出其余四個機器人在機器人L1聲源坐標系下的坐標，當坐標確定之后，L2、L3、L4、L5可以利用無線通信模塊將上述坐標以及自身的ID廣播出來。當上述環(huán)節(jié)結束之后，再將L3作為聲源進行發(fā)聲，并分別得出L1、L2、L4以及L5在該坐標系中的坐標。在這種情況下，由于不同機器人缺失的對應坐標不同，因此應該分別對其相應向量進行計算，利用向量完成這五個機器人的協(xié)作相對定位[ 1 ]。

2.聲源定位

聲源定位算法是指，將某固定發(fā)生機器人在周圍機器人局部坐標系中的對應坐標確定出來。這里利用麥克風陣列實現(xiàn)分布式多機器人的聲源相對定位。假定某傳感器陣列由A1、A2、A3以及A4這四個麥克風組成，它們所形成的傳感器陣列結構為十字型。通過對該陣列中任意兩個麥克風到聲源位置距離的計算，得出麥克風陣列坐標系X軸與聲源之間的夾角，進而將聲源所處坐標系位置的象限確定出來。在估測聲源位置的過程中，聲音傳播速度為340m/s，其遠遠小于無線信號的傳播速度，為了防止該現(xiàn)象對最終估測結果產(chǎn)生影響，在聲源機器人發(fā)聲時，應該利用機器人自身攜帶的無線通信模塊以某字節(jié)聲音為起始標志傳輸至其他定位機器人中。當其他機器人接收到聲音起始標志位信號之后，才會開始采集相應的聲音信號。

（二）實現(xiàn)基于聲音的分布式多機器人相對定位的流程

基于聲音的分布式多機器人相對定位實現(xiàn)流程主要包含以下幾步：

1.初始化

某區(qū)域內(nèi)包含多個不同的機器人，隨機選中一個機器人m，將其作為該區(qū)域中的發(fā)聲機器人。

2.發(fā)聲

設置機器人m發(fā)聲，同時，以機器人m的坐標系為參照，將該區(qū)域中其他所有機器人的對應坐標計算出來。當坐標計算完成之后，其他機器人需要利用自身的無線通信模塊將上述坐標廣播出來。

3.發(fā)聲標志傳遞

當發(fā)聲機器人m接收到相對坐標之后，需要將發(fā)聲標志傳遞至與它位置最為相近的機器人n。

4.調(diào)整發(fā)聲機器人

將發(fā)聲機器人設置為n，然后利用聲源定位算法將該區(qū)域中其他機器人在n發(fā)聲情況下坐標系中的對應坐標計算出來，并通過所攜帶的無線通信模塊將坐標計算結果廣播出來。

5.坐標計算

結合協(xié)作定位算法，分別將傳感區(qū)域中所有機器人在其坐標系下對應的坐標計算出來。

6.實現(xiàn)相對定位

當上述步驟完成之后，則代表相對定位實現(xiàn)。當需要對下個周期繼續(xù)進行相對定位時，可以將n機器人設置為m，再次按照上述步驟進行。

二、基于聲音的分布式多機器人相對定位實驗分析

（一）室內(nèi)實驗

這里將MICE機器人作為實驗對象，在室內(nèi)環(huán)境中按照分布式結構布設6個機器人。在該室內(nèi)環(huán)境中，所有機器人與障礙物之間的距離超過200cm，同時，不同發(fā)聲機器人與其他機器人之間的距離小于200cm。在這種環(huán)境下，進行30次基于聲音的分布式多機器人相對定位實驗。實驗結果表明，這種方法對不同機器人的定位較為準確，其定位誤差平均值約為15.8cm。大部分誤差標準差小于11cm。由于室內(nèi)環(huán)境中的噪聲較少，不同機器人的發(fā)聲和信號接收過程受到的干擾相對較小，因此最終的定位結果較為準確。

（二）室外實驗

就分布式多機器人的相對定位室外實驗設計而言，同樣將6個MICE機器人作為實驗對象。該室外環(huán)境的范圍直徑為400cm。為了保證這些機器人之間的有效通信，需要利用CC2430無線通信模塊組成一個令牌環(huán)網(wǎng)。在這種狀況下，每個機器人都有一次獲得令牌的機會，令牌在6個機器人中循環(huán)一次的通信周期為60ms。因此，這種實驗設計的定位實時性較高。在這種實驗環(huán)境下進行30次實驗，所有機器人相對定位的距離平均差小于13.7cm，其標準差的數(shù)值也被控制在較小范圍中，因此基于聲音的室外分布式多機器人相對定位能夠獲得良好的定位效果。

三、結論

當環(huán)境中同時存在多個機器人時，很容易產(chǎn)生碰撞問題。這種問題對不同機器人之間的定位提出了更高的要求。這里以聲源定位算法和協(xié)作定位算法為基礎，得出一種基于聲音的分布式多機器人相對定位算法。通過實驗可以看出，無論是在室外還是室內(nèi)環(huán)境中，這種定位算法的應用能夠實現(xiàn)對所有機器人位置的準確定位。

參考文獻：

[1] 吳玉秀，孟慶浩，曾明.基于聲音的分布式多機器人相對定位[J].自動化學報，2014，05：798-809.

基金項目：基于ARDUINO模塊化裝卸機器人的研究與開發(fā)（省教育廳 13C602）