基于双无线网络的移动机器人自定位方法与流程

本发明涉及一种基于双无线网络的移动机器人自定位方法，属于移动机器人领域。

背景技术

移动机器人已经开始应用在我们的生活中，比如吸尘机器人和割草机器人，机器人的应用一定程度上减轻了日常的劳动负担，是未来技术发展的趋势。

目前，移动机器人技术的发展还不是很完善，比如吸尘机器人和割草机器人。由于缺乏定位手段，没有建立环境地图，导致工作效率不高。工作的时候采用随机路径，在工作环境内随意行走，没有任何路径规划。在工作结束或者电池耗尽的时候，需要寻找充电基座进行充电。目前常用的方式是沿工作区域的边界进行搜寻，比如吸尘机器人可以沿着墙边搜寻充电基座，而充电基座是靠墙设置的；割草机器人是工作在草坪上，而草坪的周围铺设了交流电缆，充电基座设置在电缆上，所以割草机器人沿着电缆也可以找到充电基座。这种方式在环境复杂，或者面积较大的情况下，平均状况下需要花很长时间才能回到充电基座，并且很可能出现这种情况，充电基座近在咫尺，移动机器人还要从反方向去搜寻。另外，也有采用随机搜集的方式，比如一些吸尘机器人，这种方式效率低下，经常失败。

随着技术的发展，目前移动机器人开始装配二维甚至三维激光雷达用于环境检测和地图建立，但是这种方式成本非常高，传感器本身的价格已经远远超过目前移动机器人的成本。也有采用图像传感器进行环境检测与地图建立的，这种方式对硬件计算能力要求高，并且对环境光照条件要求苛刻。

而无线wifi网络已经普及到每个家庭及办公环境，其硬件成本非常低，开发资料也很丰富，基于无线wifi网络信号的强弱来进行移动机器人的位置计算成为一个发展方向。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，根据两组大范围无线信号的强度信息来计算移动机器人的当前位置，为路径规划和回归充电提供位置数据，提高了工作效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于双无线网络的移动机器人自定位方法，所述的移动机器人包括驱动轮和与所述的驱动轮连接的驱动电机以及设置在所述的移动机器人前端的充电电极公端，所述的移动机器人内部设置主控电子装置，所述的主控电子装置包括进行集中控制的处理器，与所述的处理器连接的电机驱动电路，所述的电机驱动电路与所述的驱动电机连接，与所述的处理器连接的障碍物检测电路，用于进行避障和路径规划，还包括与所述的处理器连接的充电电路，所述的充电电路与所述的充电电极公端连接，所述的充电电路输出连接所述的充电电池，所述充电电池输出连接第二电源电路，所述的第二电源电路为后续电路提供电源；所述的充电基座包括充电电极母端、电源插孔，以及充电控制电子装置，所述的充电控制电子装置设置了进行集中控制的控制器，与所述电源插孔连接的第一电源电路和滤波电路，与所述的滤波电路连接的开关管，所述的开关管由所述的控制器控制，输出连接电流检测电路，所述的电流检测电路连接所述的充电电极母端，所述的电流检测电路将电流信号转换成电压信号给所述的控制器，所述的充电控制电子装置，设置与所述的控制器连接的第一wifi模块，所述的第一wifi模块设置为ap模式；还包括辅助网络装置，所述的辅助网络装置设置第二wifi模块，所述的第二wifi模块设置为ap模式；所述的主控电子装置设置与所述的处理器连接的第三wifi模块，所述的第三wifi模块设置为sta模式，所述的处理器可获取所述的第三wifi模块接收到的无线信号强度值rssi，记为r，具体为接收到所述的第一wifi模块的无线信号强度值r^ⅰ和所述的第二wifi模块的无线信号强度值r^ⅱ，其特征在于：所述的辅助网络装置与所述的充电基座设置在环境边界的同一侧；所述的处理器设置自定位方法，所述的自定位方法包括以下步骤：

(1)建立极坐标系：极轴为所述的充电基座与辅助网络装置的连接线，极径ρ为所述的移动机器人到所述的充电基座的距离，极角θ为所述的移动机器人到所述的充电基座的连线到极轴的夹角，极角θ的范围为（0，180°）；

(2)所述的移动机器人在所述的充电基座位置读取所述的第二wifi模块的无线信号强度值r^ⅱ0，计算所述的充电基座到所述的辅助网络装置的距离d0=10^[(p^ⅱ-r^ⅱ0)/(10×n)]，其中，p^ⅱ为距离所述的第二wifi模块一米的位置测得的无线信号强度值rssi，n为环境参数，对于家庭环境可设置为2；

(3)所述的移动机器人在环境中需要自定位的时候，所述的处理器读取读取所述的第一wifi模块和第二wifi模块的无线信号强度值r，即r^ⅰ和r^ⅱ；

(4)计算所述的移动机器人到所述的充电基座的距离d¹=10^[(p^ⅰ-r^ⅰ)/(10×n)]，即极径ρ，其中，p^ⅰ为距离所述的第一wifi模块一米的位置测得的无线信号强度值rssi；计算所述的移动机器人到所述的辅助网络装置的距离d²=10^[(p^ⅱ-r^ⅱ)/(10×n)]；

(5)计算：极角θ=，因此得到所述的移动机器人的自定位坐标为(ρ,θ)。

实施本发明的积极效果是：1、无线信号覆盖范围广，并且信号强度跟距离相关，可以帮助移动机器人确定自身的位置和方向；2、不需要环境设置及改造，成本低。

附图说明

图1是自定位方法示意图；

图2是主控电子装置的原理框图；

图3是充电控制电子装置的原理框图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1－3，基于双无线网络的移动机器人自定位方法，所述的移动机器人17包括驱动轮和与所述的驱动轮连接的驱动电机9以及设置在所述的移动机器人17前端的充电电极公端6。基于所述的驱动轮，所述的移动机器人17可以实现自由移动，可以设置为两个驱动轮和一个支撑轮；所述的充电电极公端6设置为两个分开的铜质电极，与外部电源连接时进行充电。

所述的移动机器人17内部设置主控电子装置，所述的主控电子装置包括进行集中控制的处理器1，所述的处理器1可采用低功耗微处理器，具体可采用ti公司的msp430，或者普通处理器，比如st公司的32位arm处理器stm32f103c8t6；与所述的处理器1连接的电机驱动电路7，所述的电机驱动电路7与所述的驱动电机9连接，在所述的处理器1的控制下，所述的电机驱动电路7带动所述的驱动电机9，所述的驱动电机9带动所述的驱动轮，实现所述的移动机器人17的自由移动；与所述的处理器1连接的障碍物检测电路8，用于进行避障和路径规划，可以采用超声波或者红外传感器或者两种传感器的组合；还包括与所述的处理器1连接的充电电路5，所述的充电电路5与所述的充电电极公端6连接，所述的充电电路5输出连接所述的充电电池4，所述充电电池4输出连接第二电源电路2，所述的第二电源电路2为后续电路提供电源。

所述的充电基座18包括充电电极母端10、电源插孔，以及充电控制电子装置。所述的电源插孔可连接外部电源适配器，为所述的充电基座18各个组成部分提供电源；所述的充电电极母端10设置为两个分开的铜质电极，具有弹性，与所述的充电电极公端6对应，正极对正极，负极对负极，高度相同。

所述的充电控制电子装置设置了进行集中控制的控制器12，因为功能较单一，可采用microchip的pic16f1503单片机；与所述的电源插孔连接的第一电源电路13和滤波电路14，与所述的滤波电路14连接的开关管15，所述的开关管15由所述的控制器12控制，输出连接电流检测电路16，所述的电流检测电路16连接所述的充电电极母端10，所述的电流检测电路16将电流信号转换成电压信号给所述的控制器12，所述的控制器12可控制输出电流的大小，并且防止所述的充电电极母端10短路。

所述的充电控制电子装置，设置与所述的控制器12连接的第一wifi模块11，所述的第一wifi模块11设置为ap模式，即无线接入点，是一个无线网络的中心节点；还包括辅助网络装置19，所述的辅助网络装置19设置第二wifi模块，所述的第二wifi模块设置为ap模式，所述的辅助网络装置19与所述的充电基座18设置在环境边界的同一侧。

所述的主控电子装置设置与所述的处理器1连接的第三wifi模块3，所述的第三wifi模块3设置为sta模式，即无线站点，是一个无线网络的终端，所述的处理器1可获取所述的第三wifi模块3接收到的无线信号强度值rssi，记为r。所述的第一wifi模块11，第二wifi模块和第三wifi模块3可设置为iot芯片esp8266，具有价格低，变成简便的优点。

所述的处理器1设置自定位方法，所述的自定位方法包括以下步骤：

(1)建立极坐标系：极轴为所述的充电基座18与辅助网络装置19的连接线，极径ρ为所述的移动机器人17到所述的充电基座18的距离，极角θ为所述的移动机器人17到所述的充电基座18的连线到极轴的夹角，极角θ的范围为（0，180°）；

所述的辅助网络装置19与所述的充电基座18设置在环境边界的同一侧，以所述的充电基座18和辅助网络装置19为中心的两个圆相交得到的交点，大部分情况为两个交点，一个交点在环境以内，一个在环境以外，这样在确定所述的移动机器人17位置的时候就不会产生歧义。

(2)所述的移动机器人17在所述的充电基座18位置读取所述的第二wifi模块的无线信号强度值r^ⅱ0，计算所述的充电基座18到所述的辅助网络装置19的距离d0=10^[(p^ⅱ-r^ⅱ0)/(10×n)]，其中，p^ⅱ为距离所述的第二wifi模块一米的位置测得的无线信号强度值rssi，n为环境参数，对于家庭环境可设置为2；

距离d0为固定参数，在所述的充电基座18和辅助网络装置19的位置固定以后，就不用计算。

(3)所述的移动机器人17在环境中需要自定位的时候，所述的处理器1读取读取所述的第一wifi模块11和第二wifi模块的无线信号强度值r，即r^ⅰ和r^ⅱ；

所述的处理器1分别以所述的第一wifi模块11和第二wifi模块的网络名称作为参数，发送at+cwlap给所述的第三wifi模块3，可获取当前位置的无线网络信号强度r^ⅰ和r^ⅱ。

(4)计算所述的移动机器人17到所述的充电基座18的距离d¹=10^[(p^ⅰ-r^ⅰ)/(10×n)]，即极径ρ，其中，p^ⅰ为距离所述的第一wifi模块11一米的位置测得的无线信号强度值rssi；计算所述的移动机器人17到所述的辅助网络装置19的距离d²=10^[(p^ⅱ-r^ⅱ)/(10×n)]；

(5)计算：极角θ=，因此得到所述的移动机器人17的自定位坐标为(ρ,θ)。

根据三角形的余弦定理，可计算极角θ。