CN108513353B - 基于双信标节点实现移动机器人定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，移动机器人的通信半径与数个信标节点的通信半径相同，当移动机器人在其通信半径内只与无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，则对所述的无线传感器网络建立二维直角坐标系，两个信标节点分别根据其与移动机器人的距离为半径、以自身的坐标信息为圆心做圆，根据两个圆的交点数量判断移动机器人的实际坐标信息。采用本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，算法简单可靠，降低了对硬件的要求，无需里程计和陀螺仪，避免定位算法的累积误差，节省了网络成本，可扩展性强，适用性强、成本低廉、具有广泛的应用价值。

Description

基于双信标节点实现移动机器人定位的方法

技术领域

本发明涉及机器人通信领域，尤其涉及机器人无线通信定位领域，具体是指一种基于双信标节点实现移动机器人定位的方法。

背景技术

定位技术是移动机器人研究中的一项关键技术,对于一个自主的机器人系统，精确的空间定位是其实现自主导航的前提.目前有很多方法可以得到机器人的位置信息，主要分为以下两类：①通过码盘、电子陀螺仪、加速度计等传感器记录机器人自己的移动过程，通过累计计算出当前时刻的位置；②通过雷达、激光测距仪、图像匹配等确定机器人与环境的相对位置进而获得自己的位置信息。但是由于移动机器人机动性强、自身建模困难，第一种方法积分累计误差对定位精度影响较大，第二种方法成本较高，需要增加昂贵的附属设备。

近年来，随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术研究的兴起，将移动机器人与无线传感器网络结合，实现机器人全区域定位和跟踪。基于WSN的定位算法主要分为两类：基于测距算法(Range-based)和非测距算法(Range-free)。前者通过信标节点间距或角度计算未知节点的位置，主要包括三边测量法(Trilateration Algorithm,TA)、极大似然估计法等；后者无需距离或角度信息，仅依靠网络连通性等信息实现目标定位，包括DV-hop定位算法、质心法、SPA(self-positioning algorithm)相对定位算法等。

其中，三边测量法需要三个或三个以上的信标节点才能定位，如果在机器人的通信范围内只有两个信标节点，则无法得到移动机器人的位置信息，此时就需要更改算法，使得移动机器人的定位变得复杂，延长了计算和分析的时间。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种通过两个信标节点就能确认移动机器人位置、简化结构、优化算法、提高分析速度、缩短计算时间的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法。

为了实现上述目的，本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法具有如下构成：

该基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，所述的移动机器人位于无线传感器网络中，其主要特点是，所述的无线传感器网络包含数个通信半径相同的信标节点，所述的移动机器人的通信半径与所述的数个信标节点的通信半径相同，当所述的移动机器人在其通信半径内只与所述的无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，在所述的移动机器人的通信半径外存在数个未建立通信连接的信标节点，则三边测量法无法使用，所述的方法可以根据以下步骤来得到移动机器人的实际坐标信息：

(1)对所述的无线传感器网络建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布数个信标节点；

(2)与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点分别根据其与所述的移动机器人的距离为半径、以自身的已知坐标信息为圆心做圆；

(3)根据两个圆的交点数量判断所述的移动机器人的实际坐标信息。

进一步地，所述的根据两个圆的交点数量判断所述的移动机器人的实际坐标信息，具体包括以下步骤：

(3.1)判断两个圆的交点数量为一个还是两个，如果为一个交点，则继续步骤(3.2)，如果为两个交点，则继续步骤(3.3)；

(3.2)确定该交点的坐标信息并设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.3)确定两个交点的坐标信息并设定为第一交点坐标和第二交点坐标；

(3.4)以第一交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并继续步骤(3.5)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.5)以第二交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并返回上述步骤(1)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息。

更进一步地，所述的判断两个圆的交点数量为一个还是两个，具体为：

判断所述的移动机器人和与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点是否共线，如果是，则判定为一个交点，否则判定为两个交点。

采用了本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，当移动机器人在通信半径内只与无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，利用两个信标节点实现了移动机器人的定位，弥补了三边测量法的缺陷，且无需改动测量距离的算法，只需利用现有的距离信息和信标节点的坐标信息即可完成移动机器人的坐标定位，改动内容少，算法简单可靠，且在非刚性的网络结构下仍然可以精准定位移动机器人的位置，降低了对硬件的要求，无需里程计和陀螺仪，避免定位算法的累积误差，节省了网络成本，可扩展性强，适用性强、成本低廉、具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法的流程图。

图2为本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法的具体实施例的第一种情况的示意图。

图3为本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法的具体实施例的第二种情况的示意图。

图4为本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法的具体实施例的第三种情况的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图1所示，为本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法的流程图。

无线传感器网络包含数个通信半径相同的信标节点，所述的移动机器人位于无线传感器网络中，移动机器人的通信半径与数个信标节点的通信半径相同，当移动机器人在其通信半径内只与无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，在移动机器人的通信半径外存在数个未建立通信连接的信标节点，则三边测量法无法使用，本发明的方法可以根据以下步骤来得到移动机器人的实际坐标信息：

(1)对所述的无线传感器网络建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布数个信标节点；

(2)与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点分别根据其与所述的移动机器人的距离为半径、以自身的已知坐标信息为圆心做圆；

(3)根据两个圆的交点数量判断所述的移动机器人的实际坐标信息，具体包括以下步骤：

(3.1)判断两个圆的交点数量为一个还是两个，具体为：

判断所述的移动机器人和与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点是否共线，如果是，则判定为一个交点，否则判定为两个交点。

如果为一个交点，则继续步骤(3.2)，如果为两个交点，则继续步骤(3.3)；

(3.2)确定该交点的坐标信息并设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.3)确定两个交点的坐标信息并设定为第一交点坐标和第二交点坐标；

(3.4)以第一交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并继续步骤(3.5)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.5)以第二交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并返回上述步骤(1)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息。

无线传感器网络环境中，坐标已知的节点称为信标节点(或锚节点)，在具体实施例中，无线传感器网络环境包括数个已知坐标信息的信标节点，移动机器人依赖周围传感器网络实现自身定位服务。在R²(二维)空间内信标节点可以提供精确位置信息，而移动机器人需要依赖周围信标节点提供的坐标实时定位自身位置。如果无线传感器节点的通信半径已知为ρ(ρ>0)，移动机器人能携带相同的无线传感器节点，并且通信半径同样为ρ(ρ>0)，能够探测到四周任何通信范围内的信标节点A_i，通过测距得到两点之间距离为d_ri，该距离存在环境噪声干扰和传感器自身的测量误差，因此使用测距误差e表示该噪声干扰。当无线传感器自身天线为圆形覆盖区域时，在通信半径ρ的圆形区域内能够实现与其它传感器节点的网络通信，网络连通图定义为单位圆盘图。在R²空间中，三角形结构图具有全局刚性特征，建立的无线传感器网络符合全局刚性结构，由于本实施例中的信标节点的通信半径相同，因此信标节点可以以三角形结构进行排列，优选地，还可以以等边三角形进行排列。但若与移动机器人建立通信的信标节点不足3个，无法构成三角形结构，则是非刚性的网络结构，TA算法无法实现。

机器人在通信半径为ρ的全局刚性无线传感器网络中移动，虚线箭头代表通信半径。机器人探测到周围存在两个信标节点A₁和A₂，表示为星形标识，带有箭头的实线表示在通信半径ρ之内信标节点到达机器人的测量距离d_r1和d_r2。信标节点A₃位于机器人通信半径之外，无法与机器人建立通信。由于探测到的信标节点数量未达到三个，机器人无法构成三角形刚性结构，不能使用TA算法实现动态定位。

此时，本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法能够帮助确定移动机器人的准确位置。以已知测量距离d_r1和d_r2为圆半径，以探测到信标节点坐标A₁和A₂作为圆心，绘制两个圆(以实线表示)，考虑到无线传感器之间测距误差e，可以在加入误差e的情况下得到与A₁和A₂圆心相同的同心圆，表示为点划线圆。

由于通信半径相同，此时会出现两种情况：

1、两个圆相交于两点Rt_r和Rt_d。

如图2所示，此时产生了两个交点Rt_r和Rt_d，由图可以明显看出Rt_d到A₃的距离明显小于通信半径ρ，若一定机器人在交点Rt_d处应该可以与A₁、A₂和A₃都建立通信，这与事实不符，因此判定为无效交点坐标，另一交点Rt_r即为移动机器人的实际坐标。

2、两个圆相交于一点Rt_r，Rt_r和A₁之间距离为d_r1，Rt_r和A₂之间距离为d_r2，A₁和A₂之间距离为d₁₂，此时又可分为两种情况：

1)两个信标节点A₁和A₂在机器人的相反方向。

如图3所示，公式表示为d_r1+d_r2-e≤d₁₂≤d_r1+d_r2+e。不管dr1和dr2之间的关系如何，该关系可以定义为d_r1＜d_r2-e,d_r2-e≤d_r1≤d_r2+e,或d_r1＞d_r2+e，只要机器人在两个信标节点之间，并且三个不同点共线或者近似共线，则移动机器人Rt_r总有唯一坐标。在这种情况下，d₁₂总是大于或者等于d_r1和d_r2。

2)两个信标节点A₁和A₂在机器人的相同方向。

如图4所示，第二种情况是两个信标节点A₁和A₂在机器人Rt_r同侧。如果信标节点A₂距离机器人Rt_r近，表示d_r1≥d₁₂-e，和d_r1≥d_r2-e，公式表示为d₁₂+d_r2-e≤d_r1≤d₁₂+d_r2+e。如果信标节点A₁距离机器人Rt_r近，表示d_r2≥d₁₂-e和d_r2≥d_r1-e，公式表示为d₁₂+d_r1-e≤d_r2≤d₁₂+d_r1+e。如果三个不同点共线或者近似共线，并且两个信标在机器人同侧，移动机器人总有唯一坐标。

因此，不管两个信标节点在移动机器人的异侧或者同侧，要三个不同点共线或者近似共线，并且两个信标在机器人通信半径内，两圆相交的交点Rt_r对应了移动机器人的唯一坐标。

采用了本发明的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，当移动机器人在通信半径内只与无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，利用两个信标节点实现了移动机器人的定位，弥补了三边测量法的缺陷，且无需改动测量距离的算法，只需利用现有的距离信息和信标节点的坐标信息即可完成移动机器人的坐标定位，改动内容少，算法简单可靠，且在非刚性的网络结构下仍然可以精准定位移动机器人的位置，降低了对硬件的要求，无需里程计和陀螺仪，避免定位算法的累积误差，节省了网络成本，可扩展性强，适用性强、成本低廉、具有广泛的应用价值。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (2)

1.一种基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，所述的移动机器人位于无线传感器网络中，其特征在于，所述的无线传感器网络包含数个通信半径相同的信标节点，所述的移动机器人的通信半径与所述的数个信标节点的通信半径相同，所述的移动机器人在其通信半径内只与所述的无线传感器网络中的两个信标节点建立通信连接，在所述的移动机器人的通信半径外存在数个未建立通信连接的信标节点，所述的方法包括以下步骤：

(1)对所述的无线传感器网络建立二维直角坐标系，在二维直角坐标系内分布数个信标节点；

(2)与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点分别根据其与所述的移动机器人的距离为半径、以自身的坐标信息为圆心做圆；

(3)根据两个圆的交点数量判断所述的移动机器人的实际坐标信息；

所述的根据两个圆的交点数量判断所述的移动机器人的实际坐标信息，具体包括以下步骤：

(3.1)判断两个圆的交点数量为一个还是两个，如果为一个交点，则继续步骤(3.2)，如果为两个交点，则继续步骤(3.3)；

(3.2)确定该交点的坐标信息并设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.3)确定两个交点的坐标信息并设定为第一交点坐标和第二交点坐标；

(3.4)以第一交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并继续步骤(3.5)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息；

(3.5)以第二交点坐标的坐标信息为圆心、以通信半径为半径做圆，如果圆内包含三个或三个以上的信标节点，则判定为无效交点坐标，并返回上述步骤(1)，否则设定为所述的移动机器人的实际坐标信息。

2.根据权利要求1所述的基于双信标节点实现移动机器人定位的方法，其特征在于，所述的判断两个圆的交点数量为一个还是两个，具体为：

判断所述的移动机器人和与所述的移动机器人通信连接的两个信标节点是否共线，如果是，则判定为一个交点，否则判定为两个交点。

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