CN103139812B - 基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法 - Google Patents
基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法，涉及无线传感器网络在移动节点队列运动控制领域，它是为了解决在移动节点编队避障过程中无线节点的动态感知范围窄，以及节点通信和临时自主处理突发状况的能力差的问题。本发明中主节点结合自身的传感器信息和障碍物及目标点的信息进行数据处理，做出避障决策。主节点首先将各超声波模块返回的障碍物信息进行数据融合处理，判断具体障碍物位置及障碍物与主节点行进方向的角度，并传输给从节点，从节点据此规划行进路径并回复主节点，主节点进而控制整个移动节点编队进行避障。本发明适用于移动节点编队的避障过程中。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络在移动节点队列运动控制领域，具体涉及一种移动节点编队避障方法。
背景技术
随着现代传感器、通信、计算机技术的发展，传感器网络中的移动节点技术亦得到了很大发展，多移动节点系统因其在信息感知、获取、任务分配等方面的大量优势逐渐成为专家学者的热点研究对象。由于目前节点作业环境的日益复杂化和不可预见性，多移动节点间的协作问题便成为研究热点之一。
实际应用中，移动节点通常工作在地形复杂、通信受限的障碍物环境中，实际环境的动态性和不可预见性加大了移动节点避障的难度。对于移动节点来说，感知范围之外的区域均为未知，在向目标点行进的过程中往往会遇到突发状况，这些障碍物的存在势必会打乱移动节点行进队列，影响到移动节点从出发点到目标点的理想路径。
目前的方法存在的缺陷，一、无线节点的动态感知范围窄；二、节点通信和临时自主处理突发状况的能力较差。
发明内容
本发明是为了解决在移动节点编队避障过程中无线节点的动态感知范围窄，以及节点通信和临时自主处理突发状况的能力差的问题，从而提供一种基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法。
它首先将一个主节点和N个从节点组成无线网络，形成一个移动节点编队，N为正整数；
基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法由以下步骤实现：
步骤一、在第K时刻下，主节点采用M个超声波传感器对主节点的行进方向进行障碍物检测；所述M个超声波传感器能够覆盖所述移动节点编队行进方向区域；M为正整数；K的初始值为1；
步骤二、主节点判断是否检测到障碍物，如果判断结果为是，则执行步骤二一；如果判断结果为否，则执行步骤八；
步骤二一、主节点根据M个超声波传感器返回的超声波信号进行数据融合处理，获得障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角；并执行步骤三；
步骤三、主节点将步骤二一中获得的障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角分别发送给N个从节点；
步骤四、每个从节点均采用磁阻传感器采集自身的位姿信息，并依据地磁原理换算成该从节点的航向角度；
步骤五、每个从节点根据获得的航向角度与主节点发送的障碍物的位置坐标，以及主节点行进方向之间的夹角判断障碍物是否在该从节点的行进路线上；如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果是否，则执行步骤五二；
步骤五一、该从节点对自身的行进路线进行规划，并将规划结果返回主节点，并执行步骤六；
步骤五二、该从节点设定沿原行进路线行进，并将该设定结果返回主节点，并执行步骤八；
步骤六、主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障，并在完成避障执行步骤七；
步骤七、主节点控制无线网络中的各节点恢复成步骤一中的移动节点编队的队型，并执行步骤八；完成第K时刻的移动节点编队避障；
步骤八、令K的值加1，返回执行步骤一；进行下一时刻的移动节点编队避障。
步骤六中主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障是通过切线法实现的。
移动节点编队中的各移动节点采用与信标节点之间的通信的方式来定位节点自己的位置，将接收到的邻近移动节点的信号强度换算与该邻近移动节点的距离和角度。
本发明基于无线传感器网络，多移动节点基于主-从控制方法，主节点与从节点分工配合、协作完成任务进行分布式避障。本发明在移动节点编队避障过程中，无线节点的动态感知范围大，节点通信和临时自主处理突发状况的能力得以大幅度提高。
附图说明
图1是WSN与多移动节点避障系统整体架构示意图；图2是传感器系统工作流程图；图3是移动节点模糊逻辑控制原理示意图；图4是模糊逻辑算法基本控制流程示意图；图5至图8是输入量和输出量的隶属度函数关系示意图；其中图5为移动节点上M个超声波传感器检测到的节点与障碍物的相对位置关系信号，其中参数DL代表节点左侧M/3个超声波信号的融合结果，其检测范围覆盖节点行进方向的左前方、DF代表节点前侧M/3超声波信号融合结果，其检测范围覆盖节点行进方向的正前方、DR代表节点右侧M/3超声波信号融合结果，其检测范围覆盖节点行进方向的右前方；NE、ME、FA为障碍物相对移动节点的距离论域，依次代表较近、适中、较远；其中图6为移动节点做出避障决策后移动节点自身位姿调整角度(θ)，以当前节点行进方向为零轴线，参数N代表负值，即节点应向左转动，Z代表节点行进方向无需调整，P代表正值，即节点应向右转动；其中图7为行进过程中的移动节点左轮速度控制模型，其中参数SL代表慢速行进，ME代表保持当前速度前行，FA代表加速行进；其中图8为行进过程中的移动节点右轮速度控制模型，其中参数SL代表慢速行进，ME代表保持当前速度前行，FA代表加速行进；图9是移动节点采用切线法实现避障的原理示意图；其中标记91为障碍物；标记92为移动节点；图10是本发明的基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法的控制流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，它首先将一个主节点(Leader节点)和N个从节点(Follower节点)组成无线网络，形成一个移动节点编队，N为正整数；
基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法由以下步骤实现：
步骤一、在第K时刻下，主节点采用M个超声波传感器对主节点的行进方向进行障碍物检测；所述M个超声波传感器能够覆盖所述移动节点编队行进方向区域；M为正整数；K的初始值为1；
步骤二、主节点判断是否检测到障碍物，如果判断结果为是，则执行步骤二一；如果判断结果为否，则执行步骤八；
步骤二一、主节点根据M个超声波传感器返回的超声波信号进行数据融合处理，获得障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角；并执行步骤三；
步骤三、主节点将步骤二一中获得的障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角分别发送给N个从节点；
步骤四、每个从节点均采用磁阻传感器采集自身的位姿信息，并依据地磁原理换算成该从节点的航向角度；
步骤五、每个从节点根据获得的航向角度与主节点发送的障碍物的位置坐标，以及主节点行进方向之间的夹角判断障碍物是否在该从节点的行进路线上；如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果是否，则执行步骤五二；
步骤五一、该从节点对自身的行进路线进行规划，并将规划结果返回主节点，并执行步骤六；
步骤五二、该从节点设定沿原行进路线行进，并将该设定结果返回主节点，并执行步骤八；
步骤六、主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障，并在完成避障执行步骤七；
步骤七、主节点控制无线网络中的各节点恢复成步骤一中的移动节点编队的队型，并执行步骤八；完成第K时刻的移动节点编队避障；
步骤八、令K的值加1，返回执行步骤一；进行下一时刻的移动节点编队避障。
步骤六中主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障是通过切线法实现的。
移动节点编队中的各移动节点采用与信标节点之间的通信的方式来定位节点自己的位置，将接收到的邻近移动节点的信号强度换算与该邻近移动节点的距离和角度。
本发明是针对复杂环境中人们不能或不适合完成任务的情况下，在未知环境中多移动节点互相通信、协作来完成任务而发明的基于无线传感器网络的多移动节点编队避障方法。
图1所示为基于无线传感器网络(WSN)多移动节点编队避障系统的整体架构。移动节点的避障过程主要分为三个阶段，即障碍物识别，避障决策产生、执行及队形恢复阶段。本实施方式采用超声波传感器感知前方障碍物(位置和方向)信息，在主移动节点上安装3组超声波传感器，覆盖移动节点行进方向区域。此外，每个移动节点上安装了磁阻传感器采集自身位姿信息，传感器根据地磁原理实时检测移动节点的航向角度。
若移动节点编队行进过程中发现障碍物，主节点将各超声波模块返回的障碍物信息进行数据融合处理，判断具体障碍物位置及障碍物与主移动节点行进方向的角度，并实时将障碍物信息通过无线方式传输给从节点，各从节点接收到主节点发出的障碍物位置信息后，从节点结合从主节点接收的障碍物位置信息和自身角度传感器返回信息来判断障碍物是否在其通往目标点的路径中，如果障碍物阻挡了其行进路线，从节点需根据相应规则制定出正确决策指引移动节点完成避障功能，反之，从节点仍按原行进方向继续前进，保持与主节点的通信，方便主节点避障后整个编队队形的恢复。
本发明基于无线传感器网络的大环境下，多移动节点基于主-从控制方法，主节点与从节点分工配合、协作完成任务的分布式避障系统。主节点承担主要任务，负责与上位机通信，实时显示多移动节点的运行状态并下达控制命令，主节点还负责实时与从节点实时通信，广播障碍物信息，以便多移动节点更好的完成任务。
Claims (3)
1.基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法，其特征是：
它首先将一个主节点和N个从节点组成无线网络，形成一个移动节点编队，N为正整数；
基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法由以下步骤实现：
步骤一、在第K时刻下，主节点采用M个超声波传感器对主节点的行进方向进行障碍物检测；所述M个超声波传感器能够覆盖所述移动节点编队行进方向区域；M为正整数；K的初始值为1；
步骤二、主节点判断是否检测到障碍物，如果判断结果为是，则执行步骤二一；如果判断结果为否，则执行步骤八；
步骤二一、主节点根据M个超声波传感器返回的超声波信号进行数据融合处理，获得障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角；并执行步骤三；
步骤三、主节点将步骤二一中获得的障碍物的位置坐标，以及障碍物与主节点行进方向之间的夹角分别发送给N个从节点；
步骤四、每个从节点均采用磁阻传感器采集自身的位置信息，并依据地磁原理换算成该从节点的航向角度；
步骤五、每个从节点根据获得的航向角度与主节点发送的障碍物的位置坐标，以及主节点行进方向之间的夹角判断障碍物是否在该从节点的行进路线上；如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果是否，则执行步骤五二；
步骤五一、该从节点对自身的行进路线进行规划，并将规划结果返回主节点，并执行步骤六；
步骤五二、该从节点设定沿原行进路线行进，并将该行进结果返回主节点，并执行步骤八；
步骤六、主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障，并在完成避障执行步骤七；
步骤七、主节点控制无线网络中的各节点恢复成步骤一中的移动节点编队的队型，并执行步骤八；完成第K时刻的移动节点编队避障；
步骤八、令K的值加1，返回执行步骤一；进行下一时刻的移动节点编队避障。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法，其特征在于步骤六中主节点根据各节点的行进路线的规划控制移动节点编队进行避障是通过切线法实现的。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动节点编队避障方法，其特征在于移动节点编队中的各移动节点采用与信标节点之间的通信的方式来定位节点自己的位置，将接收到的邻近移动节点的信号强度换算与该邻近移动节点的距离和角度。
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