[發(fā)明專利]基于傳感器網絡動態(tài)環(huán)境監(jiān)測的室內移動機器人路徑規(guī)劃方法

在審

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• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN105091884A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發(fā)明（設計）人: 張云洲;諶睿;楊恒贊
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及無線傳感器網絡、移動機器人、環(huán)境建模、路徑規(guī)劃等領域，具體涉及利用無線傳感器網絡進行室內環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，結合環(huán)境模型對移動機器人進行路徑規(guī)劃。

背景技術

近年來，基于無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork,WSN）環(huán)境下的機器人導航已成為研究熱點。相比于傳統(tǒng)的依賴于機器人自身攜帶的傳感器去感知環(huán)境的導航方式，無線傳感器網絡能夠為機器人提供更為全面的實時感知能力，對環(huán)境進行連續(xù)的、大范圍的監(jiān)測，還可作為通訊和計算的媒介，提升機器人路徑最優(yōu)的能力。因此，可將移動機器人與無線傳感器網絡結合，機器人依靠事先部署的傳感器網絡連續(xù)感知周圍環(huán)境的變化，對機身感知范圍之外的事故做出反應，在WSN環(huán)境的引導下避開障礙和危險，到達指定目標。

目前國內外基于無線傳感器網絡的移動機器人路徑規(guī)劃研究主要包括三個分支，（1）通過WSN構建機器人移動區(qū)域的環(huán)境柵格地圖，采用圖搜索算法，在所構建的柵格地圖中找到一條從起始點到目標點的最短路徑。但是圖搜索算法耗時長，大大降低了路徑規(guī)劃的效率。（2）使用無線傳感器網絡的信號如RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator，接收信號強度指示)直接指引機器人移動到制定的目標點。此方法雖然簡單，可是RSSI信號強度對環(huán)境依賴性極大，因而在復雜環(huán)境中無法保證路徑規(guī)劃的準確度。（3）將無線傳感器網絡與智能算法結合，例如PSO（粒子群優(yōu)化算法），模糊算法或者其他基于概率的算法，這讓導航系統(tǒng)更加高效，魯棒性更強。但是智能算法思想復雜不易理解，算法代碼更是冗長、繁多，實現(xiàn)起來較為困難。

采用無線傳感器網絡研究移動機器人的路徑規(guī)劃，通過對已有的經典路徑規(guī)劃算法的分析，提出更適合動態(tài)環(huán)境的路徑規(guī)劃算法。在災難救援環(huán)境中可以高效、準確的對機器人規(guī)劃路徑，取代救援人員在災難環(huán)境中完成輔助搜救和目標尋找，避免不必要的人員傷亡和物質損失，提供更為準確和安全的救援。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于傳感器網絡動態(tài)環(huán)境監(jiān)測的室內移動機器人路徑規(guī)劃方法，能夠有效地提高移動機器人在動態(tài)環(huán)境下運動的準確性和高效性。

本發(fā)明的技術方案是：針對室內環(huán)境，依托無線傳感器網絡研究機器人路徑規(guī)劃，系統(tǒng)包括Cricket節(jié)點、移動機器人、Sink節(jié)點和遠程PC機。具體地，將室內屋頂劃分為一定密度的網格，在每個格點內部署Cricket節(jié)點并構成無線傳感器網絡（WSN）；WSN節(jié)點通過超聲波方式探測地面的障礙物信息，將返回的離散數(shù)據(jù)進行處理，所有WSN節(jié)點的數(shù)據(jù)構成全局的連續(xù)三維地形圖，并將其經過二值化處理構成0-1柵格圖來建立動態(tài)環(huán)境模型；移動機器人機載Cricket節(jié)點通過無線方式與屋頂部署的WSN網絡建立通信聯(lián)系，獲得最鄰近的3個節(jié)點與自身的相對距離，并采取最小二乘算法估算自己的位置；結合機器人當前的位置與障礙物的信息，采用D*Lite算法進行動態(tài)路徑規(guī)劃，由于這是一種增量式啟發(fā)式搜索算法，當障礙物移動導致機器人周邊環(huán)境發(fā)生改變時，僅需從當前與機器人距離最近的WSN節(jié)點開始，依照優(yōu)先級遍歷所需節(jié)點，尋求最優(yōu)路徑，因而可以實現(xiàn)更高的效率。

所述的Sink節(jié)點，在無線傳感器網絡指匯聚結點，在本發(fā)明中負責傳感器網絡與遠程PC機之間的連接，可看作為網關節(jié)點。

基于無線傳感器網絡的環(huán)境建模：環(huán)境建模是指利用傳感器節(jié)點對環(huán)境的感知信息，通過合適的數(shù)學模型自動地構建環(huán)境地圖。由于環(huán)境的不確定性，機器人和障礙物的運動往往無法用確定函數(shù)表達，而無線傳感器網絡能根據(jù)環(huán)境變化不斷更新環(huán)境模型，反應環(huán)境的最新情況，因而對移動機器人導航非常有利。一個合適的環(huán)境建模有助于對環(huán)境的理解，有利于降低路徑規(guī)劃決策搜索空間的計算量，從而減少不必要的消耗。環(huán)境建模需要解決三個基本問題：(1)表示環(huán)境地圖，確定地圖的描述方法；(2)獲取環(huán)境信息，確定所用的傳感器和傳感方式；(3)將所取的環(huán)境信息融入地圖。本發(fā)明采用柵格圖描述環(huán)境地圖，利用超聲波傳感器感知環(huán)境信息，構成全局的連續(xù)三維地形圖，并將其經過二值化處理構成0-1柵格圖來建立靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境模型。