CN204788411U - 基于声源定位、ins的爬壁机器人导航定位系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，所述系统包括INS、INS处理单元、装载在爬壁机器人上的低音频发声装置和高音频发声装置、音频信号调理模块、麦克风声源接收阵列及中央处理模块，中央处理模块包括数据采集卡和卡尔曼滤波模块。本实用新型接收多通道声源信息以及INS处理单元的导航信息，通过卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的参数，得到最终的组合导航信息数据，能够完善爬壁机器人感知模块，为吸附力分配及姿态控制模块提供精确姿态角同时给出爬壁机器人世界坐标系精确坐标，有效解决声源导航系统易受采集频率等的影响以及INS的导航定位误差随时间延续不断增大的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及定位导航与控制技术专利应用技术领域，尤其涉及一种基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统。
背景技术
机器人是当代自动化技术和人工智能技术发展的典型体现，也代表着制造技术发展的新水平。机器人尤其是极限爬壁工作机器人的广泛应用，极大地提高了生产力。要提高爬壁机器人作业的智能化水平，必须完善机器人的导航系统，而定位定向是导航的关键问题。
国内大部分爬壁机器人的定位和位姿信息仅采用简单的姿态传感器和航位推算法粗略表示，无法满足机器人在壁面精确作业的任务需要。特别是应用于飞机表面蒙皮损伤检测的爬壁机器人的定位控制。因此，需要通过改善机器人精确定位定向的导航系统来提高机器人的本体智能。
惯性导航（inertialnavigation），是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（加速度计）来测量运载体本身的加速的，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到对运载体导航定位的目的。组成惯性导航系统（INS，InertialNavigationSystem）的设备工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自助式定位系统。但惯性导航即使导航状态的初始化估计精度很高，当由包含漂移或偏差误差和噪声的惯性测量数据，积分求解导航状态时，仍会有误差积累。
声源定位是指由若干声源接收装置按一定的方式布置在空间的不同位置组成阵列，对采集的声音信号进行分析和处理在空间定出一个或多个声源坐标，得到声源的位置。但受仪器采样速度、波速测量误差、定位区域局部结构的影响，要通过声源定位系统实现机器人精确的定位，还需要依靠辅助装置在必要时进行定位辅助。
从上述的分析，声源定位系统、INS（InertialNavigationSystem）在特殊工作环境下单独应用具有较大的局限性，通过对上述不同感知系统信息的融合处理可以解决两者对应的缺陷，无疑可以提高系统导航精度和可靠性。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，利用声源定位子系统对机器人携带的高低音频声源信号进行定位定向，以辅助INS组合定位。该方法可以整合多个子导航信息，克服了声源定位系统易受采样频率的影响计INS的导航定位误差随时间延续不断增大的缺陷。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，包括INS、INS处理单元、低音频发声装置、高音频发声装置、麦克风声源接收阵列、信号调理模块和中央处理模块；
所述INS通过INS处理单元和中央处理模块相连，所述麦克风声源接收阵列通过信号调理模块和中央处理模块相连；
所述INS用于测量爬壁机器人的惯性数据并输出给INS处理单元；
所述INS处理单元用于根据接收到的惯性数据计算得到爬壁机器人的位置数据、速度数据和姿态数据；
所述低音频发声装置、高音频发声装置对称安装在爬壁机器人的两侧，分别用于发出低音和高音；
所述麦克风声源接收阵列的连线中心为机器人重心，用于接收所述低音频发声装置、高音频发声装置的声源模拟信号，并将其输出给所述信号调理模块；
所述信号调理模块用于对接收到的声源模拟信号进行放大和偏置，并将其传递给所述中央处理模块；
所述中央处理模块包含数据采集卡和卡尔曼滤波模块；
所述数据采集卡用于将经过放大和偏置后的声源模拟信号转化为声源数字信号，并将其传递给所述卡尔曼滤波模块；
所述卡尔曼滤波模块用于根据接收到的声源数字信号对机器人的位置数据、速度数据、姿态数据进行校正，获得爬壁机器人的定位导航信息。
作为本实用新型基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统进一步的优化方案，所述麦克风声源接收阵列采用四元十字阵列。
作为本实用新型基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统进一步的优化方案，所述INS包括三轴正交安装的陀螺仪和三轴正交安装的加速度计，所述陀螺仪用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度测量值。
作为本实用新型基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统进一步的优化方案，所述陀螺仪采用光钎陀螺仪。
作为本实用新型基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统进一步的优化方案，所述加速度计采用硅微加速度计。
本系统的定位方法如下：
步骤1），利用INS获取爬壁机器人的惯性数据；
步骤2），根据爬壁机器人的惯性数据进行导航积分计算，获得爬壁机器人的INS位置数据、INS速度数据和INS姿态数据；
步骤3），并控制高音频发声装置和低音频发声装置以1HZ地频率播放高低频率声音；
步骤4），采用麦克风四元阵列收集四组高低频率声音信号；
步骤5），对四组高低频率声音信号进行放大和偏置后，将其分离为四组高频率声音信号和四组低频率声音信号；
步骤6），根据四组高频率声音信号和四元阵列模型下的几何定位公式，计算出高音频发声装置的位置信息；
步骤7），根据四组低频率声音信号和四元阵列模型下的几何定位公式，计算出低音频发声装置的位置信息；
步骤8），根据高音频发声装置和低音频发声装置的位置信息计算出爬壁机器人的声源定位位置数据和声源定位姿态数据；
步骤9），对爬壁机器人的INS位置数据、声源定位位置数据进行滤波融合计算，获得爬壁机器人的最终位置数据；
步骤10），对爬壁机器人的INS姿态数据、声源定位姿态数据进行滤波融合计算，获得爬壁机器人的最终姿态数据；
步骤11），将爬壁机器人的最终位置数据、INS速度数据和最终姿态数据作为其导航定位信息输出。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.通过利用卡尔曼滤波对INS导航及声音定位信息进行融合，有效的提高了爬壁机器人组合导航定位的精度；
2.通过利用声源定位子系统对爬壁机器人携带的不同频率的声源进行定位。由于爬壁机器人工作区域环境模型已知，因此可以通过分析计算不同声源的坐标得到爬壁机器人相对壁面的俯仰角、方位角信息。
附图说明
图1是本实用新型一种组合定位系统组成框图；
图2是本实用新型组合导航定位系统信息融合算法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本实用新型公开了一种基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，包括INS、INS处理单元、低音频发声装置、高音频发声装置、麦克风声源接收阵列、信号调理模块和中央处理模块；
所述INS通过INS处理单元和中央处理模块相连，所述麦克风声源接收阵列通过信号调理模块和中央处理模块相连；
所述INS用于测量爬壁机器人的惯性数据并输出给INS处理单元；
所述INS处理单元用于根据接收到的惯性数据计算得到爬壁机器人的位置数据、速度数据和姿态数据；
所述低音频发声装置、高音频发声装置对称安装在爬壁机器人的两侧，分别用于发出低音和高音；
所述麦克风声源接收阵列的连线中心为机器人重心，用于接收所述低音频发声装置、高音频发声装置的声源模拟信号，并将其输出给所述信号调理模块；
所述信号调理模块用于对接收到的声源模拟信号进行放大和偏置，并将其传递给所述中央处理模块；
所述中央处理模块包含数据采集卡和卡尔曼滤波模块；
所述数据采集卡用于将经过放大和偏置后的声源模拟信号转化为声源数字信号，并将其传递给所述卡尔曼滤波模块；
所述卡尔曼滤波模块用于根据接收到的声源数字信号对机器人的位置数据、速度数据、姿态数据进行校正，获得爬壁机器人的定位导航信息。
所述麦克风声源接收阵列采用四元十字阵列。
所述INS包括三轴正交安装的陀螺仪和三轴正交安装的加速度计，所述陀螺仪用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度测量值。
所述陀螺仪采用光钎陀螺仪，所述加速度计采用硅微加速度计。
本实用新型利用卡尔曼滤波技术将INS导航信息和声源定位信息进行融合，得到最终的高精度、实时性强，持续性好的导航定位结果。
如图2所示，本实用新型还公开了一种基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位方法，包含以下步骤：
步骤1），利用INS获取爬壁机器人的惯性数据；
步骤2），根据爬壁机器人的惯性数据进行导航积分计算，获得爬壁机器人的INS位置数据、INS速度数据和INS姿态数据；
步骤3），在爬壁机器人两侧分别设置高音频发声装置和低音频发声装置，并控制其以1HZ地频率播放高低频率声音；
步骤4），采用麦克风四元阵列收集四组高低频率声音信号；
步骤5），对四组高低频率声音信号进行放大和偏置后，将其分离为四组高频率声音信号和四组低频率声音信号；
步骤6），根据四组高频率声音信号和四元阵列模型下的几何定位公式，计算出高音频发声装置的位置信息；
步骤7），根据四组低频率声音信号和四元阵列模型下的几何定位公式，计算出低音频发声装置的位置信息；
步骤8），根据高音频发声装置和低音频发声装置的位置信息计算出爬壁机器人的声源定位位置数据和声源定位姿态数据；
步骤9），对爬壁机器人的INS位置数据、声源定位位置数据进行滤波融合计算，获得爬壁机器人的最终位置数据；
步骤10），对爬壁机器人的INS姿态数据、声源定位姿态数据进行滤波融合计算，获得爬壁机器人的最终姿态数据；
步骤11），将爬壁机器人的最终位置数据、INS速度数据和最终姿态数据作为其导航定位信息输出。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，其特征在于，包括INS、INS处理单元、低音频发声装置、高音频发声装置、麦克风声源接收阵列、信号调理模块和中央处理模块；
所述INS通过INS处理单元和中央处理模块相连，所述麦克风声源接收阵列通过信号调理模块和中央处理模块相连；
所述INS用于测量爬壁机器人的惯性数据并输出给INS处理单元；
所述INS处理单元用于根据接收到的惯性数据计算得到爬壁机器人的位置数据、速度数据和姿态数据；
所述低音频发声装置、高音频发声装置对称安装在爬壁机器人的两侧，分别用于发出低音和高音；
所述麦克风声源接收阵列的连线中心为机器人重心，用于接收所述低音频发声装置、高音频发声装置的声源模拟信号，并将其输出给所述信号调理模块；
所述信号调理模块用于对接收到的声源模拟信号进行放大和偏置，并将其传递给所述中央处理模块；
所述中央处理模块包含数据采集卡和卡尔曼滤波模块；
所述数据采集卡用于将经过放大和偏置后的声源模拟信号转化为声源数字信号，并将其传递给所述卡尔曼滤波模块；
所述卡尔曼滤波模块用于根据接收到的声源数字信号对机器人的位置数据、速度数据、姿态数据进行校正，获得爬壁机器人的定位导航信息。
2.根据权利要求1所述的基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，其特征在于，所述麦克风声源接收阵列采用四元十字阵列。
3.根据权利要求1所述的基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，其特征在于，所述INS包括三轴正交安装的陀螺仪和三轴正交安装的加速度计，所述陀螺仪用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度测量值。
4.根据权利要求3所述的基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，其特征在于，所述陀螺仪采用光钎陀螺仪。
5.根据权利要求3所述的基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统，其特征在于，所述加速度计采用硅微加速度计。
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