專利名稱：基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法
技術領域：
本發明涉及的是一種移動機器人在無線傳感器網絡中的導航方法，移動機器人僅依靠接收信號強度(RSSI)和里程計信息，就能實現在無線傳感器網絡中的自主導航，無需任何先驗的位置信息。具體涉及基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法。
背景技術：
混合傳感器網絡近年來開始出現并引起業界的廣泛關注。將移動機器人引入靜態無線傳感器網絡，不僅降低了系統成本，而且改善了對動態環境的適應性。當靜態節點探測到異常，并通過無線網絡上報給移動機器人，移動機器人則立即前往事發地點執行更加復雜和具體的任務，如對事件進行深入的探測分析，修補網絡和災難現場緊急救援等。如何開發相關技術以實現移動機器人的自主導航是混合傳感器網絡研究領域首先要解決的關鍵問題之一。目前很多研究人員采用基于無線傳感器網絡的方法進行移動機器人的自主導航。可是這種基于網絡中靜態節點的方法不同于傳統的導航方法，傳統的方法往往會提供給移動機器人具體的位置和路徑信息，機器人很容易地從一個位置移動到另一個位置。而在無線傳感器網絡的應用中，通常節點是隨機部署的，很難獲得每一個節點的具體位置信息，因此即使機器人知道該往哪一個靜態導航節點移動，如果沒有位置信息，機器人也不知道該如何移動過去。如果給節點加裝GPS模塊，則成本高，能耗大，而且在一些應用場合，無法使用GPS功能，如室內或封閉環境。因此一些研究人員對于預先未知節點位置信息的移動機器人導航，進行了深入的研究，Ettore Ferranti和Niki Trigoni在《The ComputerJournal》上 2011 年 I 月發表的 “Practical Issues in Deploying Mobile Agents toExplore a Sensor-1nstrumented Environment”一文，提出的解決方案是移動機器人利用照相技術定位周邊的靜態節點，并引導機器人朝靜態導航節點運動。這種類似的方案需要給機器人加裝額外的傳感器，系統結構較為復雜。目前，基于RSSI的方法是最為廉價的WSN節點間測距和定位方式，不需要額外的硬件開銷。但是由于無線信號對于復雜環境的適應能力較弱，信號傳輸過程中存在多路衰減、背景噪聲和不規則信號的傳播特性等因素的影響，使得通過測量的RSSI值來計算距離會有較大的誤差，基于RSSI的測距精度非常有限。Jehn-Ruey Jiang等在《International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing》上 2011 年 7 月發表了 “Mobile Robot Coordination and navigation with directionalantennas in positionless Wireless Sensor Networks”。該文在移動機器人上面安裝了兩個天線一個全向天線和一個可旋轉的有向天線。機器人移動每一步時，首先旋轉它的有向天線，然后選擇導航目標節點的RSS最強的方向作為下一步的移動方向。該方法具有一定的抗干擾能力，但其操作效率很低，因為機器人每移動一步都需要停下來旋轉它的有向天線
發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明提出一種新穎的低成本的基于無線傳感器網絡的導航方法，可以使移動機器人從初始位置沿由靜態節點組成的路徑移動到異常事件地點。和其它基于無線傳感器網絡的導航方法相比，本發明僅僅需要用到移動機器人與靜態導航節點間的RSS和里程計信息。因此，移動機器人僅需要裝備一個帶有全向天線的無線傳感器模塊和編碼器，就能進行導航，不需要額外的設備，具有低成本的優勢；由于采用了迭代最大后驗估計算法，具有一定的抗干擾能力；另外，靜態節點和移動機器人都不需要先驗的位置信息，有利于工作現場部署。本發明的一個優選方案中的導航方法如下首先，靜態節點監測到異常事件，然后發出“HELP”信息給移動節點，移動節點收到“HELP”信息后，通過AODV或DSR算法得到由靜態節點組成的從當前位置到事發地點的最小跳數的路徑。移動機器人先到達第一個靜態節點，它只須重復以前的步驟就能夠以逐跳的方式到達事發地點。具體地，根據本發明的一個方面，提供一種基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，在二維平面無線傳感網絡區域內，移動機器人利用RF射頻芯片的RSSI和里程計信息，通過迭代最大后驗估計算法，在無線傳感器網絡內實現自主導航的方法，具體包括以下步驟步驟1:為無線靜態節點和移動機器人裝備全向天線，為移動機器人裝備編碼器；步驟2 :靜態節點監測到異常事件后發出HELP信息給移動機器人，移動機器人收到HELP信息后，通過路由算法得到由靜態節點組成的從當前位置到事發地點的基于最小跳數的路徑；步驟3 :移動機器人運用迭代的最大后驗估計算法，利用RSSI和里程計信息到達它的靜態鄰居節點，然后移 動機器人運用迭代的最大后驗估計算法，利用RSSI和里程計信息到達它的靜態鄰居節點以逐跳的方式到達事發地點。優選地,所述步驟3包括如下步驟步驟3.1 :移動機器人記錄下在初始位置的狀態測量Ztl ；步驟3. 2 :移動機器人沿初始航向以步長Lenp■移動一步，并記錄該位置的狀態測Sz1 ；步驟3. 3 :移動機器人根據狀態測量Ztl和Z1，利用最大后驗估計算法，得到兩個靜態導航節點的估計坐標，隨機選取一個計算移動方向；步驟3. 4 :每當獲得一個新的狀態測量Zk，則將狀態測量Zk存入移動機器人的采樣緩沖區，移動機器人根據采樣緩沖區中的樣本集合，利用最大后驗估計算法，計算靜態導航節點的新的估計位置和轉向角，然后沿計算的方向移動；步驟3. 5 :重復執行步驟3. 4，直到移動機器人到達目標節點位置為止優選地，所述迭代最大后驗估計算法，具體地，移動機器人在第k步時的狀態測量Zk為Zi ={Xl,Rk]，其中，X； =|xf>:| X和Rk分別表示移動機器人在第k步時的坐標和靜態導航節點的RSSI。優選地，所述采樣緩沖區是一個最大長度為Lenqu-的環形緩沖區，當新樣本加入時，最舊的樣本就被替換掉。優選地，移動機器人在第k步時的坐標X!，由里程計信息計算得到。
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯圖1為本發明的系統框圖；圖2為本發明中迭代最大后驗估計算法的原理圖；圖3為本發明中迭代最大后驗估計算法的偽語言描述。
具體實施例方式下面結合 具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。我們假設一個由靜態和動態節點組成的混合傳感器網絡被部署在一個戶外的平面監測區域內。本發明的導航方法如下如圖1所示，首先，靜態節點監測到異常事件，然后發出“HELP”信息給移動節點，移動節點收到“HELP”信息后，通過AODV或DSR算法得到由靜態節點組成的從當前位置到事發地點的最小跳數的路徑。移動機器人到達第一個靜態節點后，它只須重復以前的步驟就能夠以逐跳的方式到達事發地點。因此本發明的重點就是在沒有任何先驗位置信息的前提下，移動機器人如何僅利用RSSI和里程計信息到達它的靜態鄰居節點，并且具有一定的噪聲抑制能力。以一個靜態節點為例，說明移動機器人到達靜態鄰居節點的步驟我們假設機器人只做直線和轉向運動，機器人通過運動和測量，來估計靜態鄰居導航節點的位置。如圖2所示，首先我們定義機器人的初始位置和航向分別為坐標原點和沿X軸方向。設Xi = W,y丨、0k、&、4={疋為|分別表示移動機器人在第1^步時的坐標、航向角、靜態導航節點的RSSI和狀態測量，則第O到第k步的狀態測量集合表示為Z0:k, X= (x, y)表示被估計的靜態導航節點的坐標。移動機器人的坐標和航向角可以通過里程計信息計算得到。接下來，我們詳細描述基于迭代最大后驗估計的靜態導航節點坐標估計方法。如圖2所示第一步，機器人記錄下在初始位置的測量Ztl ；第二步，機器人沿初始航向以步長Lenpara移動一步，并記錄該位置的測量Z1 ；第三步，機器人根據測量值Ztl和Z1，利用最大后驗估計算法，得到兩個靜態導航節點的估計坐標，我們隨機選取一個計算移動方向。第四步，如圖2所示，在機器人移動兩步后，根據，靜態節點N的坐標被估計為N’氏奶，航向角為θ2，則機器人可以通過方程⑴得到轉向角α
權利要求
1.一種基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，其特征在于，在二維平面無線傳感網絡區域內，移動機器人利用RF射頻芯片的RSSI和里程計信息，通過迭代最大后驗估計算法，在無線傳感器網絡內實現自主導航的方法，具體包括以下步驟 步驟1:為無線靜態節點和移動機器人裝備全向天線，為移動機器人裝備編碼器； 步驟2 :靜態節點監測到異常事件后發出HELP信息給移動機器人，移動機器人收到HELP信息后，通過路由算法得到由靜態節點組成的從當前位置到事發地點的基于最小跳數的路徑； 步驟3 :移動機器人運用迭代的最大后驗估計算法，利用RSSI和里程計信息到達它的靜態鄰居節點，然后移動機器人運用迭代的最大后驗估計算法，利用RSSI和里程計信息以逐跳的方式到達事發地點。
2.根據權利要求1所述的基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，其特征在于，所述步驟3包括如下步驟 步驟3.1 :移動機器人記錄下在初始位置的狀態測量Ztl ； 步驟3. 2 :移動機器人沿初始航向以步長Lenp.移動一步，并記錄該位置的狀態測量Z1; 步驟3. 3 :移動機器人根據狀態測量Ztl和Z1，利用最大后驗估計算法，得到兩個靜態導航節點的估計坐標，隨機選取一個計算移動方向； 步驟3. 4 :每當獲得一個新的狀態測量Zk，則將狀態測量Zk存入移動機器人的采樣緩沖區，移動機器人根據采樣緩沖區中的樣本集合，利用最大后驗估計算法，計算靜態導航節點的新估計位置和轉向角，然后沿計算的方向移動； 步驟3. 5 :重復執行步驟3. 4，直到移動機器人到達目標節點位置為止。
3.根據權利要求2所述的基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，其特征在于，所述迭代最大后驗估計算法，具體地，移動機器人在第k步時的狀態測量Zk為Z, = ■其中，χ；=Κ,λ1 A和Rk分別表示移動機器人在第k步時的坐標和靜態導航節點的RSSI。
4.根據權利要求2所述的基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，其特征在于，所述采樣緩沖區是一個最大長度為Lenqu_的環形緩沖區，當新樣本加入時，最舊的樣本就被替換掉。
5.根據權利要求3所述的基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，其特征在于，移動機器人在第k步時的坐標X，由里程計信息計算得到。
全文摘要
本發明提出一種基于無線傳感器網絡的低成本移動機器人導航方法，包括以下步驟首先，靜態節點監測到異常事件，然后發出“HELP”信息給移動機器人，移動機器人收到“HELP”信息后，通過路由算法得到由靜態節點組成的基于最小跳數的路徑。移動機器人運用迭代最大后驗估計算法，僅利用RSSI和里程計信息就能夠以逐跳的方式到達事發地點。本發明擁有以下優勢移動機器人僅須裝備一個帶有全向天線的無線傳感器模塊和編碼器就能進行導航，不需要額外的設備，具有低成本的優勢；靜態和動態節點都不需要先驗的位置信息，有利于工作現場部署；該方法還具有一定的抗干擾能力。
文檔編號G01S5/14GK103064058SQ20121058658
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者陳佳品, 張錚, 張大偉, 唐曉寧, 李振波 申請人:上海交通大學