自主轮式路由器及其自主运动控制方法

1.一种自主轮式路由器，其特征在于：包括路由模块、移动底座、测距仪、监控摄像头，所述路由模块、所述测距仪和所述监控摄像头设置在所述移动底座上，所述监控摄像头和所述测距仪与所述路由模块进行连接，还包括一个固定式的低成本无线路由用于宽带网络的接入；所述路由模块为中央控制器，所述路由模块读取和处理所述固定式的无线路由、所述监控摄像头、所述测距仪的数据，所述路由模块读取所述移动底座的信息并控制所述移动底座移动；所述监控摄像头提供环境的图像信息，所述测距仪提供环境的深度信息，所述环境的图像信息和所述环境的深度信息用于人物识别和路由器的空间定位与制图；所述移动底座实现路由器的移动控制和避障，所述路由模块根据用户节点的数据流量和wifi信号强度，自动触发位置调整算法：路由器利用存在SD卡中的图信息和wifi同步定位与制图技术，求出用户接入节点的空间位置，然后利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和wifi信号强度作为吸附势函数，计算出移动路由器的目标位置，最后路由器控制底盘自主的移动到目标位置；自动触发位置调整算法中：算法包括定位和运动控制两部分，对于定位，提出基于预存的混合地图，利用SIFT尺度不变特征转换或者SURF加速稳健特征图像特征点获得轮式路由器在拓扑地图中的快速定位，然后再利用基于低成本激光测距仪的格式自适应蒙特卡洛方法实现轮式路由器在拓扑节点格式地图中的精确定位，最后利用wifi三角定位技术快速计算出用户接入节点的空间位置；对于运动控制，利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和wifi信号强度来设计势能力函数，设定机器人的二维运动模型为:
其中，qr为轮式路由器的二维位置，u为二维控制输入，控制器如下:
其中 为第i个用户所引起的势能力，其大小由轮式路由器与用户的位置差决定，ki(Si)为权值，其大小由第i个用户的流量Si决定，n为轮式路由器接入用户数；
为轮式路由器周围第j个障碍物所引起的势能力，其大小由轮式路由器与障碍物的位置差 决定，αj为权值，m为障碍物个数；Fru为固定式宽带路由wifi分布势能力，kruru
(Sru)为第F 的权值，由移动式路由器总流量Sru决定，最后，由公式(2)所计算出来的控制输入u，通过对模型(1)进行积分计算，得到轮式路由器下一时刻的位置，通过设计通用的基于非完整性约束的双轮驱动控制器，就可以控制底盘自主的移动到目标位置。
2.根据权利要求1所述的自主轮式路由器，其特征在于：所述监控摄像头和所述测距仪都采用市场上通用的USB或者mini USB接头，与所述路由模块进行连接。
3.根据权利要求1所述的自主轮式路由器，其特征在于：所述移动底座和所述路由模块之间的采用乐高式拼接和顶针磁铁吸附式USB数据接头。
4.根据权利要求1所述的自主轮式路由器，其特征在于：所述路由模块采用开源的OpenWRT无线路由,OpenWRT:开源系统。
5.根据权利要求1所述的自主轮式路由器，其特征在于：所述移动底座采用双轮差动式底座，所述移动底座的控制器通过优化电机控制和传感器信号分析算法预先烧入单片机，以及在单片机内采用基于事件触发和小型虚拟机技术。
6.根据权利要求1所述的自主轮式路由器，其特征在于：所述测距仪为激光测距仪。
7.如权利要求1至6任意一项所述的自主轮式路由器的自主运动控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：其中步骤1和步骤2无先后之分，
步骤1：在环境中设置一个固定式的宽带路由用于宽带网络的接入；
步骤2：预处理：基于激光测距仪的同步定位与制图技术，轮式路由器通过自主遍历环境，获取整个环境信息，包括固定式宽带路由所发射的wifi信号分布图和环境的二维地图，提前将它们存入在路由器SD卡中，在需要时调用；
步骤3：开机运行：将轮式路由器充好电，放置在房间中，一旦有用户wifi接入，路由器就根据用户节点的数据流量和wifi信号强度，自动触发位置调整算法：路由器利用存在SD卡中的图信息和wifi同步定位与制图技术，求出用户接入节点的空间位置，然后利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和wifi信号强度作为吸附势函数，计算出机器人的目标位置，最后路由器控制底盘自主的移动到目标位置；
步骤3的自动触发位置调整算法中：算法包括定位和运动控制两部分，对于定位，提出基于预存的混合地图，利用SIFT尺度不变特征转换或者SURF加速稳健特征图像特征点获得轮式路由器在拓扑地图中的快速定位，然后再利用基于低成本激光测距仪的格式自适应蒙特卡洛方法实现轮式路由器在拓扑节点格式地图中的精确定位，最后利用wifi三角定位技术快速计算出用户接入节点的空间位置；对于运动控制，利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和wifi信号强度来设计势能力函数，设定机器人的二维运动模型为:
其中，qr为轮式路由器的二维位置，u为二维控制输入，控制器如下:
其中 为第i个用户所引起的势能力，其大小由轮式路由器与用户的位置差决定，ki(Si)为权值，其大小由第i个用户的流量Si决定，n为轮式路由器接入用户数；
为轮式路由器周围第j个障碍物所引起的势能力，其大小由轮式路由器与障碍物的位置差 决定，αj为权值，m为障碍物个数；Fru为固定式宽带路由wifi分布势能力，kru(Sru)为第Fru的权值，由移动式路由器总流量Sru决定，最后，由公式(2)所计算出来的控制输入u，通过对模型(1)进行积分计算，得到轮式路由器下一时刻的位置，通过设计通用的基于非完整性约束的双轮驱动控制器，就可以控制底盘自主的移动到目标位置。
8.根据权利要求7所述的自主运动控制方法，其特征在于：通过手机APP或者手机浏览器或者PC浏览器进行无线遥控。
9.根据权利要求7所述的自主运动控制方法，其特征在于：采用kd树格式地图和拓扑地图混合地图表征方式：将kd树应用到格式地图的高效率表征中，障碍物及其周围采用低分辨率地图格,空旷区域采用高分辨率地图格，而整个环境又被分割成多个子图，用拓扑方式表征，每个子图都是格式地图。

自主轮式路由器及其自主运动控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种自主移动的轮式智能路由器实现方案以及基于在网节点通信信号和流量的通讯质量最优化的自主运动控制方法，属于互联网和机器人交叉领域。\n背景技术\n[0002] 随着互连网技术的发展，人们对于网络接入的需求也越来越高，希望在家里或者办公室里实现随时随地安全高质量的无线上网，目前许多厂商都提供了低成本的无线路由器接入方案，用于满足人们的这种家用需求，例如TP-Link的WR系统，极科极客的智能路由器极壹，小米公司的小米路由等。但是这些路由器商家所研发的都是固定式的路由器，所覆盖的通讯范围有限，而基于成本和方便考虑人们又不希望在整个家庭到处铺设路由器，所以已有固定式路由器技术实际上已经满足不了人们的需求。因此，本发明提出了一种低成本的基于移动机器人导航技术的新型路由器方案，能够根据环境中上网节点的位置变化，自动实时的调整自身的空间位置，以获得最佳的通讯质量。\n[0003] 近年来，传统路由器开始向智能化发展，各大主要互联网公司，如小米，360，华为，思科等都加入到这个竞争激烈的领域中，他们注重开发网络接入的智能化实现，如智能数据包过滤，家长控制，网上商城，视频监控等，而对于路由器的机器人智能化较少涉略。本发明所提出的装置及其方法，只涉及到路由器的机器人化，而不涉及网络接入的智能化问题。\n与本发明在技术上较为类似的是移动机器人的智能导航方面的相关技术。导航是移动机器人的基本和关键功能，是机器人实现许多其他功能的保障。目前，在移动机器人所有产品中，基本都添加无线模块，其目的实现机器人传感和控制数据的传输，以便实现导航算法的机外服务器预处理和人机交互。因此在移动机器人领域，无线模块或者路由器与机器人的结合，只是为了数据传输，而以实现移动轮式智能网络路由为目的装置及控制方法尚未见有相关技术出现。\n[0004] 发明专利《一种基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统》(公开号：\nCN103336788A)。该发明公开了一种仿人机器人辅助的互联网信息获取方法及系统，包括：\n仿人机器人、无线路由器、互联网。其中仿人机器人用于获取用户语音指令，并且根据用户语音指令向互联网获取相应信息，并通过语音方式反馈给用户，是互联网信息获取终端，无线路由器为仿人机器人分配网络地址，是仿人机器人和互联网的网络接口，互联网用于提供所需网络信息。该技术以上网获取信息为目的，并不涉及路由的自主移动控制功能。\n[0005] 小米公司在2013年底推出一款小米路由器，提供了无线路由功能，可以实现家庭物联网功能，控制扫地机器人运动，但其本身是固定且不能移动的。\n[0006] 发明专利《一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人》(公开号：\nCN102880180A)设计一种基于LabVIEW Robotics的视觉化远程机器人，属于视觉化、无线化机器人开发和研究领域，可实现机器人无线化远程运动控制、视觉图像获取和障碍距离监测等功能。该系统主要包括主控的微型计算机、环境监测摄像头、机器人视觉摄像头、超声波测距传感器、无线路由器以及NI LabVIEW Robotics Starter Kit2.0硬件平台几部分。\n该发明以移动机器人为主题，路由器只是其中一小个模块且是用来传输信息的。\n发明内容\n[0007] 本发明针对传统路由器不能自主移动的缺陷，提出了一种新型的基于移动机器人导航技术的轮式移动路由器。该路由器不仅能够由连入路由器的终端应用程序手动控制其移动，而且还可以实现自主模式，根据连入节点的位置和数据流量的变化，自动的调整空间位置，保证接入节点的最佳可接入质量。\n[0008] 本发明提供了一种自主轮式路由器，包括路由模块、移动底座、测距仪、监控摄像头，所述路由模块、所述测距仪和所述监控摄像头设置在所述移动底座上，所述监控摄像头和所述测距仪与所述路由模块进行连接，还包括一个固定式的无线路由用于宽带网络的接入；所述路由模块为中央控制器，所述路由模块读取和处理所述固定式的无线路由、所述监控摄像头、所述测距仪的数据，所述路由模块读取所述移动底座的信息并控制所述移动底座移动；所述监控摄像头提供环境的图像信息，所述测距仪提供环境的深度信息，所述环境的图像信息和所述环境的深度信息用于人物识别和路由器的空间定位与制图；所述移动底座实现路由器的移动控制和避障。\n[0009] 作为本发明的进一步改进，所述监控摄像头和所述测距仪都采用市场上通用的USB或者mini USB接头，与所述路由模块进行连接。\n[0010] 作为本发明的进一步改进，所述移动底座和所述路由模块之间的采用乐高式拼接和顶针磁铁吸附式USB数据接头。\n[0011] 作为本发明的进一步改进，所述路由模块采用开源的OpenWRT无线路由。OpenWRT:\n开源系统。\n[0012] 作为本发明的进一步改进，所述移动底座采用双轮差动式底座，所述移动底座的控制器通过优化电机控制和传感器信号分析算法预先烧入单片机，以及在单片机内采用基于事件触发和小型虚拟机技术。\n[0013] 作为本发明的进一步改进，所述测距仪为激光测距仪。\n[0014] 一种利用上述任意一项所述的自主轮式路由器的自主运动控制方法，其包括如下步骤：其中步骤1和步骤2无先后之分，\n[0015] 步骤1：在环境中设置一个固定式的无线路由用于宽带网络的接入；\n[0016] 步骤2：预处理：基于激光测距仪的同步定位与制图技术，轮式路由器通过自主遍历环境，获取整个环境信息，包括固定式宽带路由所发射的wifi信号分布图和环境的二维地图，提前将它们存入在路由器SD中，在需要时调用；\n[0017] 步骤3：开机运行：将轮式路由器充好电，放置在房间中，一旦有用户wifi接入，路由器就根据用户节点的数据流量和wifi信号强度，自动触发位置调整算法：路由器利用存在SD卡中的图信息和wifi同步定位与制图技术，求出用户接入节点的空间位置，然后利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和wifi信号强度作为吸附势函数，计算出机器人的目标位置，最后路由器控制底盘自主的移动到目标位置。\n[0018] 作为本发明的进一步改进，通过手机APP或者手机浏览器或者PC浏览器进行无线遥控。\n[0019] 作为本发明的进一步改进，采用kd树格式地图和拓扑地图混合地图表征方式：将kd树应用到格式地图的高效率表征中，障碍物及其周围采用低分辨率地图格,空旷区域采用高分辨率地图格，而整个环境又被分割成多个子图，用拓扑方式表征，每个子图都是格式地图。\n[0020] 作为本发明的进一步改进，步骤3的自动触发位置调整算法中：算法包括定位和运动控制两部分，对于定位，提出基于预存的混合地图，利用SIFT(尺度不变特征转换)或者SURF(加速稳健特征)图像特征点获得轮式路由器在拓扑地图中的快速定位，然后再利用基于低成本激光测距仪的格式自适应蒙特卡洛方法实现轮式路由器在拓扑节点格式地图中的精确定位，最后利用Wifi三角定位技术快速计算出用户接入节点的空间位置；对于运动控制，利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和Wifi信号强度来设计势能力函数，设定机器人的二维运动模型为:\n[0021]\n[0022] 其中，qr为轮式路由器的二维位置，u为二维控制输入，控制器如下:\n[0023]\n[0024] 其中 为第i个用户所引起的势能力，由轮式路由器与用户的位置差决定，ki(Si)为权值，由第i个用户的流量Si决定，n为轮式路由器接入用户数；\n为轮式路由器周围第j个障碍物所引起的势能力，由轮式路由器与障碍物的位置差 决定，αj为权值，m为障碍物个数；Fru为固定式宽带路由Wifi分布势能力，kru(Sru)为第Fru的权值，由移动式路由器总流量Sru决定，最后，由公式(2)所计算出来的控制输入u，通过对模型(1)进行积分计算，得到轮式路由器下一时刻的位置，通过设计通用的基于非完整性约束的双轮驱动控制器，就可以控制底盘自主的移动到目标位置。\n[0025] 本发明的有益效果是：\n[0026] 本发明专利通过采用移动机器人导航技术，使得传统固定式无线路由器具备自主运动控制功能。本发明通过设计机器人导航控制算法，使得机器人化的路由器能够根据环境中接入节点的空间位置分布，自动的调整自身位置，保证所有节点的正常接通以及整体最佳的接通信号强度。本发明充分利用路由模块的计算资源来实现轮式路由器的运动控制，这种路由器能够实现许多附加功能，如家庭监控，娱乐，学习等等。\n附图说明\n[0027] 图1是本发明系统构成和各个模块的功能结构示意图；\n[0028] 图2是本发明基于连接信号强度的自主运动控制方法流程图。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合附图对本发明做进一步说明。\n[0030] 路由器系统的各模块功能构成如图1所示，本发明的路由器包括路由模块、低成本移动机器人底座、低成本激光测距仪、低成本监控摄像头。\n[0031] 整个系统以智能路由模块为中央控制器，实现的功能主要是无线网络路由、网络摄像头数据的读取和处理、二维激光测距仪的数据读取与处理、移动基座的信息读取与控制；网络摄像头提供环境的图像信息，二维激光测距仪提供环境的深度信息，用于人物识别和路由器的空间定位与制图功能；移动底座用来实现路由器的移动控制和避障。基于模块化的考虑，摄像头和激光测距仪都采用市场上通用的USB或者mini USB接头，与智能路由模块进行连接；底座和路由模块之间的采用乐高式拼接和顶针磁铁吸附式USB数据接头，连接稳固且拆卸方便。\n[0032] 本发明智能路由模块采用开源的OpenWRT无线路由解决方案，这种方案采用市场上非常普遍的开源路由硬件，其强大的CPU和大内存保障正常的智能路由功能外，还能为路由器智能自主移动控制提供计算资源，使得整体硬件结构紧凑，缩小了整体体积，还降低了成本。这种在路由硬件上实现机器人自主运动控制算法的思路是本发明的重要特点，与传统机器人使用额外的嵌入式设备或者板上电脑有本质的区别。\n[0033] 双轮差动式移动底座采用极简的设计思路，只需完成简单的电机控制和避障控制。传统的移动底座的控制都是采用单片机根据上位机的指令，读取传感器的信息并且生成PWM信号控制电机运转；上位机进行轮询方法获取传感器的信息并进行PID或者传感器信号分析。这种传统方式的缺陷是其过多的占用单片机和上位机之间的通信带宽，且过多占用上位机的运算资源。本发明的移动底座的控制器通过优化电机控制和传感器信号分析算法预先烧入单片机，以及在单片机内采用基于事件触发和小型虚拟机技术，不仅能够大大降低信道带宽需求，而且通过虚拟机技术实现在线编程方便了底座控制的调试。我们研制了一种解析型的程序语言编译器，其类似于matlab的逐条解释思路，但不同的是其针对底座控制的特点，更为简单，编译器将用户程序编译成字节码，通过USB/串口输入到底座的虚拟机上，该虚拟机逐条解析字节码，并调用底座单片机内部的处理函数，处理或者激发事件响应函数，如障碍物检测，电机过热等。这种基于虚拟机的方法在低成本的16位以上单片机就可以实现。\n[0034] 如图2所示，图2为路由器的基于连接信号强度的自主运动控制方法流程图。\n[0035] 本发明路由器能够根据接入节点的空间位置变化而自主的调整自身位置，这个是目前所有智能路由器都没有的新功能。在使用本发明路由器时，环境中需要有一个固定式的无线路由用于宽带网络的接入。本方法的实现步骤如下：\n[0036] (1)预处理：基于激光测距仪的同步定位与制图技术，轮式路由器通过自主遍历环境，获取整个环境信息，包括固定式宽带路由所发射的wifi信号分布图和环境的二维地图。\n考虑到wifi分布的误差，我们采用kd树格式地图和拓扑地图混合地图表征方式：我们将kd树应用到格式地图的高效率表征中，障碍物及其周围采用低分辨率地图格(20厘米*20厘米),空旷区域采用高分辨率地图格(5厘米*5厘米)，而整个环境又被分割成多个子图，用拓扑方式表征，每个子图都是格式地图，例如3室1厅的房子，每个室每个厅都是一个拓扑节点。多分辨率地图和拓扑地图的混合是为了保证机器人有足够的定位精度的同时定位时间大为减少。由于这两个图信息在家庭应用中，基本上长时间不会发生变化，所以提前将它们存入在路由器SD中，在需要时调用。\n[0037] (2)开机运行：将轮式路由器充好电，放置在房间中，一旦有用户Wifi接入，路由器就根据用户节点的数据流量和wifi信号强度，自动触发位置调整算法：算法包括定位和运动控制两部分。\n[0038] 首先，对于定位，本发明提出基于预存的混合地图，利用SIFT(尺度不变特征转换)或者SURF(加速稳健特征)图像特征点获得轮式路由器在拓扑地图中的快速定位，然后再利用基于低成本激光测距仪的格式自适应蒙特卡洛方法实现轮式路由器在拓扑节点格式地图中的精确定位，最后利用Wifi三角定位技术快速计算出用户接入节点的空间位置。这种定位方法不仅较传统的单种地图定位方法更为快速高效，而且还可以计算出用户Wifi接入点的位置。\n[0039] 其次，对于运动控制，本发明利用势能场的方法，以用户节点和路由桥接输出的数据流量和Wifi信号强度来设计势能力函数。设定机器人的二维运动模型为:\n[0040]\n[0041] 其中，qr为轮式路由器的二维位置，u为二维控制输入。本发明设计了如下控制器:\n[0042]\n[0043] 其中 为第i个用户所引起的势能力，由轮式路由器与用户的位置差决定，ki(Si)为权值，由第i个用户的流量Si决定，n为轮式路由器接入用户数；\n为轮式路由器周围第j个障碍物所引起的势能力，由轮式路由器与障碍物的位置差 决定，αj为权值，m为障碍物个数；Fru为固定式宽带路由Wifi分布势能力(由于固定式Wifi信号分布固定，所以其分布势能力可离线计算，这个力方向与Wifi信号变强方向，其大小与信号强度成反比)，kru(Sru)为第Fru的权值，由移动式路由器总流量Sru决定。最后，由公式(2)所计算出来的控制输入u，通过对模型(1)进行积分计算，可以很容易得到轮式路由器下一时刻的位置。通过设计通用的基于非完整性约束的双轮驱动控制器，就可以控制底盘自主的移动到目标位置。\n[0044] 本发明其不仅可以作为路由功能，其同时也是一个家庭监控机器人。\n[0045] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。