CN108919184A - 一种基于无线信号的移动机器人定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种基于无线信号的移动机器人定位方法。一种基于无线信号的移动机器人定位方法，步骤如下：第一步：移动机器人和目标位置均设有Xbee模块和Arduino nano，移动机器人接收到目标位置的信号强弱来判断其位置，信号强弱渐变模型为：将移动机器人运动到P1点，得到P1点的RSSI值；第二步：移动机器人设有AHRS加速度计传感器，移动机器人向目标位置移动三个位置P1点、P2点和P3点，第三步：求取目标位置的坐标。本发明使用了Zigbee定位技术，其最显著的技术特点是它的低功耗和低成本，且通信效率非常高。本发明使用Xbee模块结合AHRS进行移动机器人定位，原理简单，不易受干扰且成本低。

Description

一种基于无线信号的移动机器人定位方法

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种基于无线信号的移动机器人定位方法。

背景技术

在工业4.0时代下，随着社会对于机器人需求的不断扩大，移动机器人的发展的规模也获得了可喜的进展。在庞大的机器人需求的背后，移动机器人在满足实际中的应用需求还需要长时间的发展，定位技术是移动机器人的重要研究方向之一，目前的移动机器人定位技术主要有超声波导航定位，GPS全球定位系统，Wifi、蓝牙定位技术，视觉导航定位技术以及SLAM技术等。

超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。Wi-Fi方法的优点在于无线网络的覆盖范围大，易于安装，成本低。缺点在于信号容易被干扰。采用蓝牙技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。视觉定位技术以及SLAM技术需要利用图像采集设备传感器，复杂而且成本比较高。

发明内容

为了克服上述不足，本发明实现了一种基于无线信号的移动机器人定位方法。

本发明的技术方案：

基于无线信号实现移动机器人的定位，在移动机器人和目标位置各放置Xbee模块，利用Zigbee协议测试移动机器人端和目标位置信号强弱，根据接收到信号源的信号强弱来判断其距离信号源的位置远近，利用三点定位法进行定位。

一种基于无线信号的移动机器人定位方法，步骤如下：

第一步：装有Xbee模块、Arduino nano的移动机器人和目标位置形成一个物联网无线数据终端，Xbee模块和Arduino nano获取的目标位置与移动机器人之间距离；移动机器人接收到目标位置的信号强弱来判断其位置，信号强弱渐变模型为：

RSSI＝A-10nlg(d) (1)

将移动机器人运动到P1点，得到P1点的RSSI值。

其中：RSSI为接收的信号强度指示，表示距离目标位置为d时，移动机器人接收到的信号强度；A为移动机器人相距1m时接收到的无线信号强度RSSI值；d为移动机器人与目标位置的距离；n是路径损耗指数。

第二步：装有AHRS加速度计传感器移动机器人向目标位置移动三个位置P1点、P2点和P3点，根据式(1)得到：

P1到目标位置的距离d1，

P2到目标位置的距离d2，

P3到目标位置的距离d3。

AHRS加速度计传感器得到机器人从P1点到P2点的位移为L1，从P1点到P2点的位移为L2。

建立坐标系，以P1点为坐标原点，设P1，P2点所构成直线为X轴，过P1点与X轴垂直的直线为Y轴，则P1点坐标为(0,0),P2点坐标为(L1,0),根据三角形余弦公式：

其中，

θ是位移L1所在直线与d2所在直线的夹角；

α是位移L2所在直线与d2所在直线的夹角；

得P3点坐标：

(x₃,y₃)＝(L1-L2×cos(θ+α),L2×sin(θ+α))

第三步：求取目标位置的坐标

由公式(2)得到目标位置的坐标(x，y)。

进一步的，移动机器人向目标位置移动了n个位置，n＞3，则目标位置的坐标为：

用(3)方程组中前n－1个方程减去第n个方程后，得到线性化的方程：

AX＝b (4)

其中：

X＝[x,y]^T；

T是矩阵转置。

由最小二乘法得到目标位置的坐标点为：

X＝(A^TA)^-1A^Tb (5)。

本发明的有益效果：本发明使用了Zigbee定位技术，其最显著的技术特点是它的低功耗和低成本，且通信效率非常高。本发明使用Xbee模块结合AHRS进行移动机器人定位，原理简单，不易受干扰且成本低。

附图说明

图1是本发明的三点定位示意图。

图2是本发明的三点定位原理图。

图3是本发明的获取移动位置坐标原理图。

图4是本发明的实施流程图。

具体实施方式

下面结合图1～图4和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图3所示，将移动机器人运动到P1点，获取在该位置RSSI值为58.5，根据实际情况，取A＝45，n＝4.5，通过公式(1)求得该位置与目标位置的距离d1＝50cm，同理，将机器人运动到P2点，求得该位置与目标位置的距离d2＝100cm，P3点与目标位置的距离d3＝75cm，与此同时可以ASHR加速度计传感器得到机器人从P1点到P2点之间的位移L1，从二位置到三位置之间的位移L2，L1＝80cm，L2＝120cm；由此可见构成了两个三角形目标位置，建立坐标系，设P1点为坐标原点，设P1点,P2点所构成直线为X轴，过P1点与X轴垂直的直线为Y轴，故P1点坐标为(0,0),P2点坐标为(80,0),根据三角形余弦公式：

因此我们可以求得P3点坐标：

(x₃,y₃)＝(L1-L2×cos(θ+α),L2×sin(θ+α))

得到P3点坐标为(35.47,111.43),将P1点、P2点和P3点坐标带入到公式2，可以求得目标位置坐标为(-6.875,49.525)。

Claims (2)

1.一种基于无线信号的移动机器人定位方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：装有Xbee模块、Arduino nano的移动机器人和目标位置形成一个物联网无线数据终端，Xbee模块和Arduino nano获取的目标位置与移动机器人之间距离；移动机器人接收到目标位置的信号强弱来判断其位置，信号强弱渐变模型为：

RSSI＝A-10nlg(d) (1)

将移动机器人运动到P1点，得到P1点的RSSI值；

其中：RSSI为接收的信号强度指示，表示距离目标位置为d时，移动机器人接收到的信号强度；A为移动机器人相距1m时接收到的无线信号强度RSSI值；d为移动机器人与目标位置的距离；n是路径损耗指数；

第二步：装有AHRS加速度计传感器移动机器人向目标位置移动三个位置P1、P2和P3，根据式(1)得到：

P1到目标位置的距离d1，

P2到目标位置的距离d2，

P3到目标位置的距离d3；

AHRS加速度计传感器得到机器人从P1点到P2点的位移为L1，从P1点到P2点的位移为L2；

建立坐标系，以P1点为坐标原点，设P1，P2点构成的直线为X轴，过P1点与X轴垂直的直线为Y轴，则P1点坐标为(0,0),P2点坐标为(L1,0),根据三角形余弦公式：

其中，

θ是位移L1所在直线与d2所在直线的夹角；

α是位移L2所在直线与d2所在直线的夹角；

得P3点坐标：

(x₃,y₃)＝(L1-L2×cos(θ+α),L2×sin(θ+α))

第三步：求取目标位置的坐标

由公式(2)得到目标位置的坐标(x，y)。

2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，第二步中，移动机器人向目标位置移动了n个位置，n＞3，则目标位置的坐标为：

用(3)方程组中前n－1个方程减去第n个方程后，得到线性化的方程：

AX＝b (4)

其中：

X＝[x,y]^T；

T是矩阵转置；

得到目标位置的坐标点为：

X＝(A^TA)^-1A^Tb (5)。