一种面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法

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一种面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于无线定位技术领域，涉及一种面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法。\n背景技术\n[0002] 随着物联网应用的不断扩大和深入，位置感知计算、基于位置的服务显得越来越重要，尤其在智能空间中，对位置的精确定位要求越来越高。\n[0003] 目前，室内定位技术大多采用基于接收信号强度指示RSSI（RSSI,Received singalstrength index）的定位方式,即利用已知发射信号强度，接收节点根据收到的信号强度，计算信号在传播过程中的损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。在无线传感器网络中，理论上通过4个不在同一平面上节点的RSSI信息就可以确定一个未知节点的空间位置，但是对于复杂的室内空间环境（如桌椅比较多）很难确定补偿的大小，从而使定位精度很低，只能达到2-3米左右的精度。\n[0004] 还有一些类似的装置，比如通过RSSI和电子罗盘定位、通过三轴加速度传感器从而得到物体运动轨迹和RSSI数据融合定位等以及通过超声波定位等方式。\n[0005] 以上定位方法普遍存在的问题是定位精确度不高，尤其是在一些对定位精确度要求很高的场合，这些定位方法的局限性就显得非常突出，比如在需要对智能空间中的服务机器人实现精确定位的时候，如果定位精确度达不到要求则不能很好地控制机器人完成相应操作，此时，如果通过RSSI定位方式则达不到厘米级别的要求精确度，从而无法实现对机器人的控制。再者，由于室内环境一般比较复杂，同时由于超声波不能穿过物体和超声波的多径传播效应，所以超声波定位方法也不能很好地应用到复杂室内环境的定位中。\n[0006] 因此，目前需要一种能够实现在智能空间中的精确无线定位的方法，从而实现诸如控制服务机器人之类的基于位置的传感服务。\n发明内容\n[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法，采用该无线定位方法可以实现在复杂室内环境中厘米级别的定位精度，从而家庭服务机器人可以根据高精确度的位置信息提供更多更准确的服务。\n[0008] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：\n[0009] 一种面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法，包括以下步骤：步骤一：\n设置信标节点；步骤二：采集先验数据，建立先验数据库并进行模型拟合；步骤三：判断待定位目标与信标节点的视距关系；步骤四：对待定位目标进行初步定位；步骤五：利用超声波进行精确定位。\n[0010] 进一步，步骤一中所述信标节点包括一个信号接收系统，该信号接收系统包括射频芯片、超声波传感器和单片机控制器；射频芯片用于采集待定位目标的射频信号；超声波传感器用于采集待定位目标超声波传感器发送的超声波信号；单片机控制器用于控制信号接收系统；信标节点的数量根据室内空间的大小合理确定，以使信标节点能够均匀布置在室内空间中。\n[0011] 进一步，所述待定位目标超声波传感器采用360°发射超声波的传感器US40KT-01，信标节点上的超声波传感器采用55°至65°接收超声波的传感器TCT40-16R。\n[0012] 进一步，步骤二采用的方式为：当房间中无任何物品时，分别测量距离待定位目标\n0.1m-10m内的信标节点接收到的射频信号数据，然后在待定位目标和信标节点之间放置阻挡物，再在有阻挡物的情况下分别测量距离待定位目标0.1m-10m内的信标节点接收到的射频信号数据，根据上述数据建立先验数据库，并对其进行分析得到信标节点接收射频信号强度与定位位置之间的关系，根据信号能量的对数值与距离的对数值呈线性关系，通过对数据进行线性拟合，得到该房间中信号能量与距离在视距下和非视距下的关系。\n[0013] 进一步，所述阻挡物采用3cm的木板。\n[0014] 进一步，步骤三中判断待定位目标与信标节点的视距关系采用以下方式：将信标节点固定在室内地面角落或墙面上，每平方米取10个点作为待定位测量点，多次测量各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ，得到各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ的均值和方差，取各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ的方差最大值σmax(i)作为门限值，σmax(i)为第i个信标节点相对于各个待定位测量点的射频信号到达时间τ的方差最大值，在之后的测量中，若多次测量某点相对于第i个信标节点的射频信号到达时间τ的方差σi大于σmax(i)则视为非视距传播，而小于σmax(i)视为视距传播。\n[0015] 进一步，步骤四中对待定位目标进行初步定位采用以下方式：首先由待定位目标发射射频信号，各信标节点分别采集射频信号的RSSI数值和到达时间τ，计算τ的方差σ，通过将各个信标节点的方差σi和σmax(i)相比较，从而确定各个信标节点选择视距下的传播模型或是非视距下的传播模型，选择模型后，通过RSSI测量值可以得到各个信标节点和待定位目标节点的大致距离。\n[0016] 进一步，步骤五中利用超声波进行精确定位采用以下步骤：\n[0017] a.确定经步骤四中选出的与待定位目标有视距的信标节点接收超声波信号能量大小的门限值，其过程为：通过步骤四得到待定位目标和信标节点的大致距离，从而根据此距离的大小确定信标节点中超声波传感器的增益，进而确定接收超声波信号能量大小的门限值；\n[0018] b.忽略小于门限值的超声波信号，减少由于超声波多径传播而产生的误差；\n[0019] c．基于TDOA算法实现定位，其过程为：视距下的信标节点接收到待定位目标发送的射频信号后，启动单片机的定时器，待接收到超声波信号后停止定时器，此定时时间t即为超声波的传播时间，而信标节点与定位目标的距离L=340*t，将距离数据存储到单片机中，待所有视距下的信标节点均测距完成后，可将这些信标节点单片机中存储的距离数据通过无线发送至PC机中进行精确位置计算。\n[0020] 本发明的有益效果在于：本发明所述的无线定位方法能够实现复杂室内环境的精确定位，其精度能够达到厘米级别，从而家庭服务机器人可以根据高精确度的位置信息提供更多更准确的服务。\n附图说明\n[0021] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：\n[0022] 图1为本发明所述无线定位方法的流程图。\n具体实施方式\n[0023] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。\n[0024] 本发明所述的面向智能空间中服务机器人的精确无线定位方法采用RSSI数据作为辅助分析，用超声波进行精确定位，通过测量信标节点中RSSI数值大小，初步估计待定位目标位置，找出与待定位目标视距下的信标节点，同时根据初步定位位置确定信标节点中超声波接收模块的放大器增益，用视距下信标节点中的超声波模块进行精确定位。\n[0025] 图1为本发明所述的无线定位方法的流程图，该无线定位方法包括五个步骤：步骤一：设置信标节点；步骤二：采集先验数据，建立先验数据库并进行模型拟合；步骤三：判断待定位目标与信标节点的视距关系；步骤四：对待定位目标进行初步定位；步骤五：利用超声波进行精确定位。\n[0026] 步骤一中所述的信标节点包括一个信号接收系统，该信号接收系统包括射频芯片、超声波传感器和单片机控制器；射频芯片用于采集待定位目标的射频信号；超声波传感器用于采集待定位目标超声波传感器发送的超声波信号；单片机控制器用于控制信号接收系统；信标节点的数量根据室内空间的大小合理确定，以使信标节点能够均匀布置在室内空间中。在本实施例中，待定位目标超声波传感器采用360°发射超声波的传感器US40KT-01，信标节点上的超声波传感器采用55°至65°接收超声波的传感器TCT40-16R。\n[0027] 在本实施例中，步骤二采用的具体方式为：当房间中无任何物品时，分别测量距离待定位目标0.1m-10m内的信标节点接收到的射频信号数据；同时，由于一般在室内空间中，书桌、电脑桌等家具的各个面的厚度通常在3厘米左右，因此在本实施例中，在待定位目标和信标节点之间放置3厘米厚的木板，然后再分别测量距离待定位目标0.1m-10m内的信标节点接收到的射频信号数据，根据上述数据建立先验数据库，并对其进行分析得到信标节点接收射频信号强度与定位位置之间的关系，根据信号能量的对数值与距离的对数值呈线性关系，通过对数据进行线性拟合，得到该房间中信号能量与距离在视距下和非视距下的关系。\n[0028] 步骤三中判断待定位目标与信标节点的视距关系采用以下方式：将信标节点固定在室内地面角落或墙面上，每平方米取10个点作为待定位测量点，多次测量各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ，得到各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ的均值和方差，取各个待定位测量点相对于各个信标节点的射频信号到达时间τ的方差最大值σmax(i)作为门限值，σmax(i)为第i个信标节点相对于各个待定位测量点的射频信号到达时间τ的方差最大值，在之后的测量中，若多次测量某点相对于第i个信标节点的射频信号到达时间τ的方差σi大于σmax(i)则视为非视距传播，而小于σmax(i)视为视距传播。\n[0029] 步骤四中对待定位目标进行初步定位采用以下方式：首先由待定位目标发射射频信号，各信标节点分别采集射频信号的RSSI数值和到达时间τ，计算τ的方差σ，通过将各个信标节点的方差σi和σmax(i)相比较，从而确定各个信标节点选择视距下的传播模型或是非视距下的传播模型，选择模型后，通过RSSI测量值可以得到各个信标节点和待定位目标节点的大致距离。\n[0030] 本发明所述无线定位方法的步骤五是利用超声波实现精确定位，由于超声波具有反射性，所以信标节点中的超声波接收模块可能接收到不同路径的超声波信号，此为超声波的多径传播问题。因为超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，所以通过信标节点中RSSI数值大小，初步估计目标位置后可以得到目标和信标节点的大致距离，从而根据此距离的大小确定信标节点中超声波接收模块放大器的增益，确定接收超声波信号能量大小的门限值，将忽略小于此门限值的超声波信号，这样可以大大减少由于超声波多径传播而产生的误差，从而达到精确定位的目的。\n[0031] 在本实施例中，步骤五中利用超声波进行精确定位采用以下步骤：\n[0032] a.确定经步骤四中选出的与待定位目标有视距的信标节点接收超声波信号能量大小的门限值，其过程为：通过步骤四得到待定位目标和信标节点的大致距离，从而根据此距离的大小确定信标节点中超声波传感器的增益，进而确定接收超声波信号能量大小的门限值；\n[0033] b.忽略小于门限值的超声波信号，减少由于超声波多径传播而产生的误差；\n[0034] c．基于TDOA算法实现定位，其过程为：视距下的信标节点接收到待定位目标发送的射频信号后，启动单片机的定时器，待接收到超声波信号后停止定时器，此定时时间t即为超声波的传播时间，而信标节点与定位目标的距离L=340*t，将距离数据存储到单片机中，待所有视距下的信标节点均测距完成后，可将这些信标节点单片机中存储的距离数据通过无线发送至PC机中进行精确位置计算。\n[0035] 通过以上五个步骤，能够实现智能空间中的精确定位，从而为无线传感服务提供精确的位置信息。\n[0036] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。