[发明专利]一种基于群机器人的室内静止声源定位方法

权利要求书

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S_i(t)如下公式(1)所示：

S_i(t)＝αS(t-T_i)+n(t) (1)

公式(1)中，S_i(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，T_i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-T_i)表示具有时间延迟T_i的声源产生的声音信号，S_i(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T_s，T_s＝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(x_s1·r12,y_s1·r12)：

同理可得t时刻机器人R3、R4的声源位置的估算值(x_s2·r34,y_s2·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。

2.根据权利要求1所述的一种基于群机器人的室内静止声源定位方法，其特征在于，每个机器人半径为5cm,每个机器人初始时的相对位置固定，令N＝2,