[发明专利]一种室内移动机器人自主导航避障系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的室内移动机器人 自主导航避障系统。

背景技术

无线传感器网络利用密集分布的大量节点协同作业，具有动态自组织、高可靠性和以数 据为中心等特点，是当前信息领域的研究热点。随着传感器网络和无线技术的发展，传感器 网络已经在工业、监控和安全领域获得越来越广泛的应用，研究者开始讨论如何将传感器网 络用于机器人导航。基于传感器网络的机器人导航关键问题在于，使机器人准确定位，进行 环境建模，避开障碍，顺利到达目标区域。

目前室内定位技术分类较多，但根据定位过程中是否测量实际节点的距离，把定位算法 分为：基于距离的算法和距离无关的算法。前者通过测量节点间距或角度计算未知节点的位 置；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。基于TDOA的定位 是基于距离定位算法中的一种，它在已知两种信号的传输速度的情况下，通过测量两种不同 信号的到达时间差来确定距离，定位精度高，且误差不随时间累积。在传感器节点选择方面， 基于TDOA定位的典型代表是Active Bat、AHLos、和Cricket，Cricket返回值为直观的距离 信息，在实现定位系统过程中价格比Active Bat低，且为无中心构架，实现比较方便；同时 相对于AHLos而言Cricket使用的信标节点少，因此受到了广泛的关注。

在环境建模方面，通常采用超声波传感器探测障碍物的信息，通过计算发送脉冲与接收 到返回脉冲的时间差可以计算出距离。依靠对环境的定量表征可建立栅格地图，依靠对环境 的定性表征可建立拓扑地图。其中，栅格地图法具有较高的精度、建立速度快、信息融合直 观、易于整个统计意义上的数据可信度信息；拓扑地图强迫机器人按照一个预先规划好的路 径导航。在路径规划方面，可视图法采用直线连接机器人、目标点和障碍物各定点从而形成 一张路径图；人工势场法是把机器人在工作环境中的运动视为在一种虚拟的人工力场中的运 动，该算法数学描述上简洁，但算法计算量很大，且容易陷入局部极小。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种定位准确、环境建模迅速、路径规划合理的 基于无线传感器网路的室内移动机器人自主导航避障系统及方法。

本发明的技术方案是：一种室内移动机器人自主导航避障系统包括无线传感器网络和移 动机器人，无线传感器网络包括Cricket传感器锚节点、Cricket传感器接收节点和超声波传感 器节点，以Cricket传感器和超声波传感器为载体，组成无线传感器网络WSN进行室内机器 人定位和避障导航，具体地：将室内环境划分为若干网格，把超声波传感器节点按照划分好 的网格均匀部署在天花板上，超声波传感器节点自发自收超声波信号，用于探测环境障碍物 信息；同时，在天花板上随机部署大于等于四个Cricket传感器锚节点用于机器人定位，Cricket 传感器接收节点用于接收Cricket传感器锚节点发送的信号，移动机器人的主控单片机外接 SCI串口通信模块，单片机通过该模块与Cricket传感器接收节点相连，Cricket传感器接收节 点收到信息后通过SCI串口通信模块将信息送入单片机中，采用分段极大似然质心算法对移 动机器人进行定位，实时探测环境信息，建立三维环境地图和栅格地图，构造路径网格，基 于膨胀算法和Dijkstra算法进行全局路径规划。

所述室内移动机器人自主导航避障系统实现自动导航避障的方法包括如下步骤：

步骤一：通过运行模式命令代码MD将Cricket模块设置为Beacon和Listener两种模式。 Cricket工作在Beacon模式下，被设置成锚节点；Cricket工作在Listener模式下，被设置成 接收节点。其中锚节点的个数大于等于四，接收节点的个数为一。

步骤二：在天花板上随机部署Cricket传感器锚节点，并记录下各个锚节点的坐标值，用 于机器人定位。

把设置为Beacon模式的传感器锚节点随机部署在天花板上，打开传感器开关。锚节点的 个数大于等于四个。以天花板所在平面建立二维平面直角坐标系，选定平面内的一点为坐标 原点，记录下在此坐标系下的各个锚节点的坐标值。

步骤三：在天花板上按照划分好的网格均匀部署超声波传感器节点，用于探测障碍物信 息。