[发明专利]基于声源定位、INS的爬壁机器人导航定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明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及方法。

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，Inertial Navigation System）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（Inertial Navigation System）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。

发明内容

本发明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及方法，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。

本发明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处理单元相连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。

作为本发明基于声源定位、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。

作为本发明基于声源定位、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。

作为本发明基于声源定位、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。

作为本发明基于声源定位、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。

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；