孙梅

摘 要：当同一环境中存在多个机器人时，很容易发生碰撞问题。为了避免该问题出现，需要对机器人的所在位置进行准确定位。在实际的定位过程中，有效的定位方法主要包含全局定位和相对定位两种。本文从声源定位的概念入手，对基于声音的分布式多机器人相对定位进行研究。

关键词：声音；分布式；多机器人；相对定位

随着机械技术、智能技术等相关技术的不断发展，机器人的数量变得越来越多。当在某一领域的环境中同时存在多个机器人时，需要通过定位技术的应用防止它们产生相互干扰。从整体角度讲，基于声音的相对定位技术能够更好地实现多机器人定位目的。

一、基于声音的分布式多机器人相对定位

（一）基于声音的分布式多机器人相对定位算法

基于声音的分布式多机器人相对定位的有效算法主要包含以下几种：

1.协作定位

协作定位建立在机器人声音收发状态确定的基础上，这种算法的作用是通过坐标换算实现的。由于分布式多机器人的相对定位常常会受到实时性因素的影响，因此，在实际的相对定位过程中，应该对发生机器人的数量进行有效控制。

在协作定位算法中，坐标值变换的实现建立在以下定理中：假设二维空间中存在一个具有未知特点的X轴独立直角坐标系，除此之外，该空间中还包含几个不同的坐标原点。以该二维空间中的两个任意点为例，相对于该空间中所含坐标系中的所有坐标值而言，这两个任意点属于已知状态，因此，可以在该二维空间的所有坐标系中进行坐标变换。假设某环境中同时存在5个机器人，分别将其命名为L1、L2、L3、L4、L5。将L1作为声源进行发声，利用声源定位算法可以得出其余四个机器人在机器人L1声源坐标系下的坐标，当坐标确定之后，L2、L3、L4、L5可以利用无线通信模块将上述坐标以及自身的ID广播出来。当上述环节结束之后，再将L3作为声源进行发声，并分别得出L1、L2、L4以及L5在该坐标系中的坐标。在这种情况下，由于不同机器人缺失的对应坐标不同，因此应该分别对其相应向量进行计算，利用向量完成这五个机器人的协作相对定位[ 1 ]。

2.声源定位

声源定位算法是指，将某固定发生机器人在周围机器人局部坐标系中的对应坐标确定出来。这里利用麦克风阵列实现分布式多机器人的声源相对定位。假定某传感器阵列由A1、A2、A3以及A4这四个麦克风组成，它们所形成的传感器阵列结构为十字型。通过对该阵列中任意两个麦克风到声源位置距离的计算，得出麦克风阵列坐标系X轴与声源之间的夹角，进而將声源所处坐标系位置的象限确定出来。在估测声源位置的过程中，声音传播速度为340m/s，其远远小于无线信号的传播速度，为了防止该现象对最终估测结果产生影响，在声源机器人发声时，应该利用机器人自身携带的无线通信模块以某字节声音为起始标志传输至其他定位机器人中。当其他机器人接收到声音起始标志位信号之后，才会开始采集相应的声音信号。

（二）实现基于声音的分布式多机器人相对定位的流程

基于声音的分布式多机器人相对定位实现流程主要包含以下几步：

1.初始化

某区域内包含多个不同的机器人，随机选中一个机器人m，将其作为该区域中的发声机器人。

2.发声

设置机器人m发声，同时，以机器人m的坐标系为参照，将该区域中其他所有机器人的对应坐标计算出来。当坐标计算完成之后，其他机器人需要利用自身的无线通信模块将上述坐标广播出来。

3.发声标志传递

当发声机器人m接收到相对坐标之后，需要将发声标志传递至与它位置最为相近的机器人n。

4.调整发声机器人

将发声机器人设置为n，然后利用声源定位算法将该区域中其他机器人在n发声情况下坐标系中的对应坐标计算出来，并通过所携带的无线通信模块将坐标计算结果广播出来。

5.坐标计算

结合协作定位算法，分别将传感区域中所有机器人在其坐标系下对应的坐标计算出来。

6.实现相对定位

当上述步骤完成之后，则代表相对定位实现。当需要对下个周期继续进行相对定位时，可以将n机器人设置为m，再次按照上述步骤进行。

二、基于声音的分布式多机器人相对定位实验分析

（一）室内实验

这里将MICE机器人作为实验对象，在室内环境中按照分布式结构布设6个机器人。在该室内环境中，所有机器人与障碍物之间的距离超过200cm，同时，不同发声机器人与其他机器人之间的距离小于200cm。在这种环境下，进行30次基于声音的分布式多机器人相对定位实验。实验结果表明，这种方法对不同机器人的定位较为准确，其定位误差平均值约为15.8cm。大部分误差标准差小于11cm。由于室内环境中的噪声较少，不同机器人的发声和信号接收过程受到的干扰相对较小，因此最终的定位结果较为准确。

（二）室外实验

就分布式多机器人的相对定位室外实验设计而言，同样将6个MICE机器人作为实验对象。该室外环境的范围直径为400cm。为了保证这些机器人之间的有效通信，需要利用CC2430无线通信模块组成一个令牌环网。在这种状况下，每个机器人都有一次获得令牌的机会，令牌在6个机器人中循环一次的通信周期为60ms。因此，这种实验设计的定位实时性较高。在这种实验环境下进行30次实验，所有机器人相对定位的距离平均差小于13.7cm，其标准差的数值也被控制在较小范围中，因此基于声音的室外分布式多机器人相对定位能够获得良好的定位效果。

三、结论

当环境中同时存在多个机器人时，很容易产生碰撞问题。这种问题对不同机器人之间的定位提出了更高的要求。这里以声源定位算法和协作定位算法为基础，得出一种基于声音的分布式多机器人相对定位算法。通过实验可以看出，无论是在室外还是室内环境中，这种定位算法的应用能够实现对所有机器人位置的准确定位。

参考文献：

[1] 吴玉秀，孟庆浩，曾明.基于声音的分布式多机器人相对定位[J].自动化学报，2014，05：798-809.

基金项目：基于ARDUINO模块化装卸机器人的研究与开发（省教育厅 13C602）