一种基于多传感器的移动小车避障和定位系统及方法与流程

本发明涉及无线传感器定位技术，涉及一种适用于多传感器的移动小车避障和定位系统及方法。

背景技术：

在工业现场的设备中，常常使用移动小车来完成物资在不同设备间的转移，需要移动小车能够精准地移动到各台设备前，定位的误差将会对设备或移动小车产生较大的影响。因此，需要设计一种室内的高精度的移动小车定位系统以提高移动小车运行的准确性，并且需要使用一些辅助的传感器来实现移动小车的避障功能。

目前，典型的室内无线定位系统有如下的几种：

1)基于红外的室内定位系统。它采用了红外线技术实现室内定位，每个待定位的物体使用红外发射机定期发送自身唯一的ID识别码。同时，在室内固定放置红外接收机用于提取红外信号携带的数据。专利号为201510658330.4，题为“基于GNSS的红外定位装置”的专利采用了这种技术。采用这种技术存在的明显缺点是红外信号的直线视距和传输距离较短，以致于一些红外信号不能够被红外接收机接收到。

2)基于超声波的室内定位系统。待定位的移动小车定期发送超声波信号，室内固定位置超声波接收模块通过接收到超声波的信号强度得到与移动小车的距离信息，采用三角法定位出移动小车的位置坐标。专利号为201410565470.2，题为“一种室内超声波定位系统及其定位方法”的专利采用了这种技术。但是超声波信号对于接收面的平整性要求高，且对超声波节点的质量和布置依赖高，应用起来成本高。

3)基于RFID的室内定位系统。安装在移动小车上的RFID标签发送射频信号，同时布置在室内的RFID阅读器接收射频信号，采用接收信号强度指示来标识接收到射频信号的强度，根据无线电传输路径损耗模型来得到RFID阅读器与移动小车的直线距离。从而可以通过定位算法计算得到移动小车的位置坐标。专利号为200910173577.1，题为“RFID定位方法及其系统”的专利采用了这种技术。采用这种技术的缺点在于定位精度严重依赖于无线电传输路径损耗模型的精确程度。在实际中，由于环境的差异和各个节点的差异，单一的路径损耗模型并不适用所有的场景。

4)还有一些利用Wi-Fi网络、ZigBee网络的定位系统，其原理和缺点与基于RFID的定位系统相同，没有考虑在不同的环境中对路径损耗模型进行相应的修正，而是专注于如何通过滤波算法提高定位的准确性。

因此，在本领域需要设计一种对实际环境中无线电传输路径损耗模型的差异进行修正的定位系统，并且能够通过采用一些辅助传感器实现移动小车的避障功能。

技术实现要素：

为了克服现有的移动小车定位方法中没有对无线电传输路径损耗模型的差异进行修正、定位精确性较差、小车自主运行能力较差的缺点，本发明提供一种适用于多传感器的移动小车避障和定位系统，采用基于ZigBee网络的定位方法，并对实际环境中每个节点的损耗模型进行相应的修正，提高了定位的精确性，并且通过在移动小车上使用超声波传感器和红外传感器实现移动小车的避障功能，提高移动小车的自主运动能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于多传感器的移动小车避障和定位系统，包括一辆移动小车，移动小车包括移动小车本体、一个超声波模块、两个红外模块和一个ZigBee模块，所述的移动小车本体用于小车的运动控制，所述的超声波模块用于避开小车前方的障碍物，所述的红外模块用于避开小车左右两侧的障碍物，所述的ZigBee模块用于接收和发送ZigBee信号。

所述移动小车避障和定位系统还包括四个定位节点和一个协调节点，且每个定位节点位于定位系统中的位置各不相同，每个定位节点包括一个ZigBee模块、一个稳压模块和一块电池，所述的ZigBee模块用于接收和发送ZigBee信号，所述的稳压模块用于将电池的电压降压到ZigBee模块适用的电压，所述的电池用于提供ZigBee模块工作所需的电源；

所述协调节点包括一个ZigBee模块，所述的协调节点用于计算移动小车的位置坐标，协调节点通过有线串口与计算机相连，计算机通过上位机软件实时显示小车的位置坐标。

一种基于多传感器的移动小车避障和定位方法，它包括以下几个步骤：

步骤1)定义每个ZigBee节点的设备ID；

步骤2)将移动小车、定位节点和协调节点上的ZigBee进行组网；

步骤3)组网成功后，四个定位节点分别从距离移动小车设定距离处多次发送ZigBee信号给移动小车，移动小车通过测得信号的强度值计算出各个分段的路径损耗指数，随后每个定位节点将采用修正后的路径损耗指数；

步骤4)修正路径损耗指数之后，四个定位节点周期性地发送ZigBee信号给移动小车，移动小车根据分段的无线电传输路径损耗模型计算得到与四个定位节点的相对距离，并发送给协调节点；

步骤5)协调节点采用加权最小二乘定位方法计算出移动小车的坐标，并通过有线串口发送给计算机，计算机中上位机实时显示移动小车的位置坐标。

进一步，在步骤2)中，采用组播的模式进行ZigBee网络的组网，采用组播的方式可防止外来ZigBee信号的干扰。

在步骤3)中，采用的无线电传输路径损耗模型，通过以下公式获得：

RSSI＝A-10nlg(d) (1)

其中，RSSI表示接收端ZigBee信号的强度，单位为分贝毫伏，A表示距离发送端1米处ZigBee信号的强度，单位为分贝毫伏，d表示接收端离发送端的直线距离，单位为米，n表示一个与环境有关路径损耗指数；通过测得距离移动小车60厘米、100厘米、120厘米、150厘米处ZigBee信号的强度，通过公式计算得到对应路径段0-60厘米、60-120厘米、120-150厘米、150厘米以上的路径损耗指数。

在步骤5)中，定位节点的坐标分别为(x_i,y_i),i＝1,2,…,k，定位节点到移动小车的距离分别用r_i,i＝1,2,…,k表示，k表示定位节点的数量，移动小车的位置通过下式获得：

其中

表示移动小车坐标，加权矩阵W为对称正定矩阵，其对角线元素为各个定位节点离移动小车直线距离的倒数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在实际中不是简单的应用单一的无线电传输路径损耗模型，而是通过分段的方式对该损耗模型进行修正，通过实际测得的参数计算出每一分段的路径损耗指数，克服了单一的损耗模型对环境适应能力差的缺点，并且能够通过使用辅助的传感器使得移动小车具有避障的功能。

附图说明

图1是定位系统示意图。

图2是Matlab模拟定位示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1和图2，一种适用于多传感器的移动小车避障和定位系统，包括一辆移动小车，移动小车包括移动小车本体、一个超声波模块、两个红外模块和一个ZigBee模块，所述的移动小车本体用于小车的运动控制，所述的超声波模块用于避开小车前方的障碍物，所述的红外模块用于避开小车左右两侧的障碍物，所述的ZigBee模块用于接收和发送ZigBee信号；

所述移动小车避障和定位系统还包括四个定位节点和一个协调节点，且每个定位节点位于定位系统中的位置各不相同，每个定位节点包括一个ZigBee模块、一个稳压模块和一块电池，所述的ZigBee模块用于接收和发送ZigBee信号，所述的稳压模块用于将电池的电压降压到ZigBee模块适用的电压，所述的电池用于提供ZigBee模块工作所需的电源；

所述协调节点包括一个ZigBee模块，所述的协调节点用于计算移动小车的位置坐标，协调节点通过有线串口与计算机相连，计算机通过上位机软件实时显示小车的位置坐标。

如图1所示，移动小车包括移动小车本体、小车正前方的一个超声波模块、小车两侧的两个红外模块和小车上方的一个ZigBee模块。在本实施例中，移动小车本体为两轮驱动的平衡车，超声波模块采用TELESKY HC-SR04超声波模块，红外模块采用E18-D80NK红外光电开，ZigBee模块采用CC2530模块。

如图1所示，在本实施例中，四个定位节点分别放置在2米*2米空间的四个顶点，设定定位节点的坐标分别为(0,0)，(2,0)，(0,2)，(2,2)，电源采用12V的锂电池，稳压模块采用LM2596和AMS1117级联获得+3.3V的电源。协调节点为一个ZigBee节点，其通过有线串口与计算机进行通信，计算机直接对其进行供电。

参照图1和图2，一种基于多传感器的移动小车避障和定位方法，包括以下步骤：

步骤1)定义每个ZigBee节点的设备ID；

步骤2)将移动小车、定位节点和协调节点上的ZigBee进行组网；

步骤3)组网成功后，四个定位节点分别从距离移动小车设定距离(例如60厘米、100厘米、120厘米、150厘米处)多次发送ZigBee信号给移动小车，移动小车通过测得信号的强度值计算出多段路径(例如0-60厘米、60-120厘米、120-150厘米、150厘米以上四段)的损耗指数，随后每个定位节点将采用修正后的路径损耗指数；

步骤4)修正路径损耗指数之后，四个定位节点周期性地发送ZigBee信号给移动小车，移动小车根据分段的无线电传输路径损耗模型计算得到与四个定位节点的相对距离，并发送给协调节点；

步骤5)协调节点采用加权最小二乘定位方法计算出移动小车的坐标，并通过有线串口发送给计算机，计算机中上位机实时显示移动小车的位置坐标。

进一步，在步骤1)中，本实施例的移动小车的ID定义为0xF0,协调节点的ID定义为0xC0,四个定位节点的ID分别定义为0xB1,0xB2,0xB3,0xB4。

在步骤2)中，采用组播的模式进行ZigBee网络的组网，采用组播的方式可防止外来ZigBee信号的干扰。

在步骤3)中，采用的无线电传输路径损耗模型，通过以下公式获得：

RSSI＝A-10nlg(d) (1)

其中，RSSI表示接收端ZigBee信号的强度，单位为分贝毫伏，A表示距离发送端1米处ZigBee信号的强度，单位为分贝毫伏，d表示接收端离发送端的直线距离，单位为米，n表示一个与环境有关路径损耗指数。通过测得距离移动小车60厘米、100厘米、120厘米、150厘米处ZigBee信号的强度，可以通过公式计算得到对应路径段0-60厘米、60-120厘米、120-150厘米、150厘米以上的路径损耗指数。

在步骤4)中，移动小车作为接收端接收四个定位节点发送的ZigBee信号，在本实施例中，ZigBee信号的发送周期为100毫秒。

在步骤5)中，本实施例的定位节点1-4的坐标分别为(0,0)，(2,0)，(0,2)，(2,2)，定位节点1-4到移动小车的距离分别用r_i,i＝1,2,…,4表示，移动小车的位置可通过下式获得：

在本实施例中

表示移动小车坐标，加权矩阵W为对称正定矩阵，其对角线元素为各个定位节点离移动小车直线距离的倒数。

图2为代入了实际数据的Matlab模拟定位示意图，其中横坐标表示定位空间的横向距离，单位为厘米，纵坐标表示定位空间的纵向距离，单位为厘米，四个蓝色空心点表示四个定位节点，蓝色实心点代表移动小车的位置。从模拟图中可以看出，采用本实施例提出的定位方法能够准确的定位出移动小车的位置。