一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的移動機(jī)器人自定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動機(jī)器人自定位領(lǐng)域，尤其是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器 人自定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器具有良好的自組織能力、能耗低、環(huán)境感知能力強、可大范圍覆蓋的特 點，可用于環(huán)境信息監(jiān)測、車輛跟蹤、軍事偵查等領(lǐng)域。另一方面，移動機(jī)器人自身攜帶豐富 的傳感器，但其對環(huán)境的感知能力非常有限，環(huán)境適應(yīng)能力差。移動機(jī)器人可通過自身攜帶 的慣性傳感器，通過航跡推算的方式進(jìn)行自定位。該方法受累積誤差的影響大，往往需要通 過激光、視覺、紅外等外部傳感器進(jìn)行其位姿修正。然而，環(huán)境特征十分復(fù)雜，移動機(jī)器人通 過自身攜帶的外部傳感器提取環(huán)境特征難度很大，而且數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題也十分復(fù)雜。無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)可協(xié)助移動機(jī)器人感知周圍環(huán)境和定位，增強對不同環(huán)境的感知和適應(yīng)能力。目 前，還沒有技術(shù)可簡單有效地解決移動機(jī)器人的自定位問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服已有移動機(jī)器人自定位方法對環(huán)境適應(yīng)力差，環(huán)境特征難以提取以及數(shù) 據(jù)關(guān)聯(lián)難度大等不足。本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的移動機(jī)器人自定位方法， 避免了環(huán)境特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，提高了移動機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的移動機(jī)器人自定位方法，所述方法包括以下步驟：
[0006] 步驟1)移動機(jī)器人向周圍傳感器節(jié)點發(fā)送"定位請求"數(shù)據(jù)包；
[0007] 步驟2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到請求后，解析收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，提取該數(shù)據(jù)包 的RSSI值。隨后，對該RSSI信號進(jìn)行一次預(yù)濾波，得到該RSSI信號的估計值；
[0008] 步驟3)通過該RSSI信號的估計值，判斷是否滿足發(fā)送條件，若滿足發(fā)送條件，以 單跳的方式發(fā)送定位服務(wù)數(shù)據(jù)包給移動機(jī)器人；否則，忽略該服務(wù)請求；
[0009] 步驟4)移動機(jī)器人收到周圍節(jié)點響應(yīng)的數(shù)據(jù)包后，解析該數(shù)據(jù)包中的節(jié)點位置 信息、RSSI信號，通過RSSI模型轉(zhuǎn)換成距離信息，根據(jù)該距離信息，采用基于平方根容積卡 爾曼的序貫融合估計方法估計出當(dāng)前的機(jī)器人位置。
[0010] 進(jìn)一步，所述步驟1)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)湫问?，所有?jié)點都具有路 由功能，提供定位服務(wù)的節(jié)點為固定節(jié)點。固定節(jié)點位置已知，移動機(jī)器人為其中可移動的 路由節(jié)點。
[0011] 所述步驟1)中，所述的發(fā)送"定位請求"數(shù)據(jù)包，通過單跳通信的方式發(fā)送給周圍 節(jié)點。單跳，即移動節(jié)點和周圍固定節(jié)點直接通信，不經(jīng)過其他任何路由節(jié)點。
[0012] 所述步驟2)中，所述的預(yù)濾波為.?·廠(卜α).ν,: ; j = U,3···，其中，k = 1，2, 3···，兔為k時刻傳感器節(jié)點接收到的"定位請求"數(shù)據(jù)包的RSSI值，九為濾波器初 值，α為濾波器系數(shù)，O < α < 1。
[0013] 所述步驟3)中，所述的發(fā)送條件為：
：，其中，yT，ε為預(yù)先設(shè) 定的閾值參數(shù)，閾值yT為服務(wù)半徑，ε用于判斷機(jī)器人位置是否變化，若滿足上述條件，響 應(yīng)移動機(jī)器人請求；否則，忽略該請求。
[0014] 在步驟4)中，所述的RSSI模型為
，其中，ZkSyk對應(yīng) 的距離值，Zp ^分別為參考距離和相應(yīng)的RSSI值，η為電磁波傳播衰減系數(shù)。
[0015] 再進(jìn)一步，步驟4)中所述的基于平方根容積卡爾曼的序貫融合估計方法，根據(jù)響 應(yīng)數(shù)據(jù)包得到的距離信息，采用平方根容積卡爾曼方法逐一地進(jìn)行狀態(tài)融合估計。
[0016] 平方根容積卡爾曼方法分為兩步，首先，通過移動機(jī)器人內(nèi)部傳感器信息進(jìn)行狀 態(tài)預(yù)測，然后，根據(jù)距離信息對移動機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行修正。
[0017] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：由于每個傳感器節(jié)點具有特有的ID，避免了復(fù)雜 的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程。同時，通過移動機(jī)器人和傳感器節(jié)點間的主動通信，避免了環(huán)境特征提取 過程。傳感器節(jié)點可事先布置在環(huán)境中，可用于環(huán)境信息采集，同時可為移動機(jī)器人提供定 位服務(wù)。通過RSSI信號測距，不需要增加額外的成本，使用靈活度高，節(jié)點生存周期長。相 對于現(xiàn)有的通過自身攜帶的激光、視覺等外部傳感器的自定位方法，該方法對環(huán)境適應(yīng)性 強，難度低，易于實施。
【附圖說明】
[0018] 圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的移動機(jī)器人自定位系統(tǒng)示意圖。
[0019] 圖2是無線傳感器固定節(jié)點響應(yīng)服務(wù)流程圖。
[0020] 圖3是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助移動機(jī)器人自定位流程圖。
[0021] 圖4是基于平方根容積卡爾曼的序貫融合估計流程圖。
[0022] 圖5是移動機(jī)器人狀態(tài)估計的時序圖。
[0023] 圖6是移動機(jī)器人內(nèi)部傳感器和響應(yīng)數(shù)據(jù)包時序圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0025] 參照圖1~圖6,一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的移動機(jī)器人自定位方法，所述方法包 括以下步驟：
[0026] 步驟1)移動機(jī)器人向單跳傳輸半徑內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送"定位請求"數(shù)據(jù)包；
[0027] 步驟2)當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點收到請求后，解析收到的數(shù)據(jù)包，提取該數(shù)據(jù)包的 RSSI值，對該RSSI信號進(jìn)行一次預(yù)濾波，得到該RSSI信號的估計值；
[0028] 步驟3)通過該RSSI信號的估計值，判斷是否滿足發(fā)送條件，若滿足發(fā)送條件，以 單跳的方式發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包給移動機(jī)器人；否則，忽略該服務(wù)請求。
[0029] 步驟4)移動機(jī)器人收到周圍節(jié)點響應(yīng)的數(shù)據(jù)包后，提取該數(shù)據(jù)包中的節(jié)點位置 信息、RSSI信號，按照接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)包的先后順序逐一融合RSSI信息，得到移動機(jī)器人 狀態(tài)。首先，根據(jù)內(nèi)部傳感器信息，對移動機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。然后，通過RSSI模型轉(zhuǎn)換 成距離信息，利用該距離信息，對移動機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行修正，得出當(dāng)前的估計狀態(tài)。
[0030] 重復(fù)執(zhí)行步驟1) -4)，實現(xiàn)對移動機(jī)器人自定位。
[0031] 所述步驟1)中，所述的發(fā)送"定位請求"數(shù)據(jù)包，通過單跳通信的方式發(fā)送給周圍 節(jié)點。單跳，即移動節(jié)點和周圍固定節(jié)點直接通信，不經(jīng)過其他任何路由節(jié)點。
[0032] 所述步驟2)中，所述的預(yù)濾波為
其中，k = 1，2, 3···，免為k時刻傳感器節(jié)點接收到的"定位請求"數(shù)據(jù)包的RSSI值，爲(wèi)為濾波器初 值，α為濾波器系數(shù)，〇 < α < 1。
[0033] 所述步驟3)中，所述的發(fā)送條件為：
，其中，yT，ε為預(yù)先設(shè) 定的閾值參數(shù)，閾值yT為服務(wù)半徑，ε用于判斷機(jī)器人位置是否變化，若滿足上述條件，響 應(yīng)移動機(jī)器人請求；否則，忽略該請求。
[0034] 在步驟4)中，所述的RSSI模型為
，其中，Z1^ y k對應(yīng) 的距離值，Zp ^分別為參考距離和相應(yīng)的RSSI值，η為電磁波傳播衰減系數(shù)。
[0035] 如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點事先布置環(huán)境中，用于采集環(huán)境信息，同時協(xié)助 移動機(jī)器人進(jìn)行自定位。圖1描述