[发明专利]基于无线传感器网络的低成本移动机器人导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种移动机器人在无线传感器网络中的导航方法，移动机器人仅依靠接收信号强度（RSSI）和里程计信息，就能实现在无线传感器网络中的自主导航，无需任何先验的位置信息。具体涉及基于无线传感器网络的低成本移动机器人导航方法。

背景技术

混合传感器网络近年来开始出现并引起业界的广泛关注。将移动机器人引入静态无线传感器网络，不仅降低了系统成本，而且改善了对动态环境的适应性。当静态节点探测到异常，并通过无线网络上报给移动机器人，移动机器人则立即前往事发地点执行更加复杂和具体的任务，如对事件进行深入的探测分析，修补网络和灾难现场紧急救援等。如何开发相关技术以实现移动机器人的自主导航是混合传感器网络研究领域首先要解决的关键问题之一。

目前很多研究人员采用基于无线传感器网络的方法进行移动机器人的自主导航。可是这种基于网络中静态节点的方法不同于传统的导航方法，传统的方法往往会提供给移动机器人具体的位置和路径信息，机器人很容易地从一个位置移动到另一个位置。而在无线传感器网络的应用中，通常节点是随机部署的，很难获得每一个节点的具体位置信息，因此即使机器人知道该往哪一个静态导航节点移动，如果没有位置信息，机器人也不知道该如何移动过去。如果给节点加装GPS模块，则成本高，能耗大，而且在一些应用场合，无法使用GPS功能，如室内或封闭环境。因此一些研究人员对于预先未知节点位置信息的移动机器人导航，进行了深入的研究，Ettore Ferranti和Niki Trigoni在《The Computer Journal》上2011年1月发表的“Practical Issues in Deploying Mobile Agents to Explore a Sensor-Instrumented Environment”一文，提出的解决方案是移动机器人利用照相技术定位周边的静态节点，并引导机器人朝静态导航节点运动。这种类似的方案需要给机器人加装额外的传感器，系统结构较为复杂。目前，基于RSSI的方法是最为廉价的WSN节点间测距和定位方式，不需要额外的硬件开销。但是由于无线信号对于复杂环境的适应能力较弱，信号传输过程中存在多路衰减、背景噪声和不规则信号的传播特性等因素的影响，使得通过测量的RSSI值来计算距离会有较大的误差，基于RSSI的测距精度非常有限。Jehn-Ruey Jiang等在《International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing》上2011年7月发表了“Mobile Robot Coordination and navigation with directional antennas in positionless Wireless Sensor Networks”。该文在移动机器人上面安装了两个天线：一个全向天线和一个可旋转的有向天线。机器人移动每一步时，首先旋转它的有向天线，然后选择导航目标节点的RSS最强的方向作为下一步的移动方向。该方法具有一定的抗干扰能力，但其操作效率很低，因为机器人每移动一步都需要停下来旋转它的有向天线。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出一种新颖的低成本的基于无线传感器网络的导航方法，可以使移动机器人从初始位置沿由静态节点组成的路径移动到异常事件地点。和其它基于无线传感器网络的导航方法相比，本发明仅仅需要用到移动机器人与静态导航节点间的RSS和里程计信息。因此，移动机器人仅需要装备一个带有全向天线的无线传感器模块和编码器，就能进行导航，不需要额外的设备，具有低成本的优势；由于采用了迭代最大后验估计算法，具有一定的抗干扰能力；另外，静态节点和移动机器人都不需要先验的位置信息，有利于工作现场部署。

本发明的一个优选方案中的导航方法如下：首先，静态节点监测到异常事件，然后发出“HELP”信息给移动节点，移动节点收到“HELP”信息后，通过AODV或DSR算法得到由静态节点组成的从当前位置到事发地点的最小跳数的路径。移动机器人先到达第一个静态节点，它只须重复以前的步骤就能够以逐跳的方式到达事发地点。

具体地，根据本发明的一个方面，提供一种基于无线传感器网络的低成本移动机器人导航方法，在二维平面无线传感网络区域内，移动机器人利用RF射频芯片的RSSI和里程计信息，通过迭代最大后验估计算法，在无线传感器网络内实现自主导航的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：为无线静态节点和移动机器人装备全向天线，为移动机器人装备编码器；