一种快递分拣背景下的机器人传感器网络能量补充方法与流程

文档序号:14943096发布日期:2018-07-13 21:35

本发明涉及一种快递自动分拣背景下的机器人传感器网络能量补充方法,属于可充电机器人传感器网络节点能量补充领域。



背景技术:

随着科技的进步,无线传感器网络由于它广泛的应用前景,逐渐受到了学术界和工业界的关注。机器人传感器网络也越来越多的被应用于环境检测、动物信息采集、紧急搜救、数据中心监测、人体健康监测等多个方面。目前,机器人传感器网络主要是由电池进行供电,由于电池的总容量有限,而且在严峻的环境下人为地更换电池难以实现,能量问题便成为限制机器人传感器网络广泛应用的重要约束和挑战,所以很多研究工作者提出了节省能量的办法,也就是通过减少机器人传感器单位时间或单位工作量的能耗来延长网络的生存周期。但是此方法不能从根本上解决这一问题,它只能有限的延长网络寿命,当有机器人传感器的电量耗尽后,将有可能导致整个网络无法正常的工作。从周围的环境中获取能量也是一种办法,例如太阳能,风能等多种形式的能量。但是能量获得的效率和周围环境的好坏有很大的关系,能量获取过程具有高度的不可预测性和不可控性等缺点,影响了无线传感器网络的稳定性。

为了延长网络的生存周期,提高网络的整体性能。近年来,利用移动充电装置给机器人传感器进行能量补充的方法获得了广泛的关注,移动充电装置主要使用了无线能量传输技术,例如电感耦合技术、全向/定向电磁辐射技术、磁耦合谐振技术等。此技术允许能量由移动充电装置传输到机器人传感器、手机、RFID等终端设备中。因此可以给机器人传感器提供可靠、持续的能量补充。由于移动充电装置价格不菲,在固定的区域中布置过多的移动充电装置给机器人传感器充电并不现实,所以如何合理、有效地规划移动充电装置的充电路径,使得整体的充电成本和充电延迟最小化成为一个非常棘手的问题。很多现存的工作中,机器人传感器需要配合移动充电装置才能进行能量补充,此时机器人传感器不得不终止当前的任务,使得机器人传感器的工作效率得不到保证。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是提供一种快递自动分拣背景下的机器人传感器网络能量补充方法,根据机器人传感器的移动信息,计算移动充电装置与每一个提出充电请求的机器人传感器相遇的时间及位置,在考虑了机器人传感器得到充电请求响应公平性问题的前提下,移动充电装置优先选择相遇时间短的机器人传感器与其在相遇位置会合进行能量补充,进而在减少充电成本的同时也尽可能的缩短了提出充电请求机器人传感器的充电延迟,从而延长了网络的生存周期,提高了网络的性能。在本发明中,机器人传感器不需要中断当前的操作,移动充电装置可以根据机器人传感器得到能量补充的优先级独立的与机器人传感器进行会合,会合后可以降低速度与机器人传感器一起移动来执行充电操作。在这个过程中,移动充电装置可以独立的完成充电任务,使得机器人传感器的工作效率最大化。

本发明采用的技术方案是:提供了一种快递自动分拣背景下的机器人传感器网络能量补充方法,包括以下步骤:

Step1:布置快递自动分拣系统的机器人传感器网络环境:在m*m的区域Ω内布置N个快递投放位置,1个快递接收位置,N个机器人传感器,一辆移动充电装置,当机器人传感器接收到包裹,扫描包裹上的位置二维码,译码后符合机器人传感器投递包裹的位置时,便接收此包裹进行投递,否则继续扫描下一个包裹;当机器人传感器投递包裹后返回到快递接收位置,重新接收包裹进行投递;机器人传感器在实现快递面单的信息读取、快递路径信息的记录和跟踪功能时消耗能量,此时可能会导致能量低于阈值并向移动充电装置提出充电请求,移动充电装置会收集机器人传感器的位置和剩余能量信息;其中移动充电装置的位置表示为C(xc,yc),机器人传感器的位置表示为S(xs,ys),快递投放位置表示为M(xm,ym),快递接收位置表示为O(xo,yo),当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置与机器人传感器相遇位置表示为Eδ(xδ,yδ),其中:机器人传感器的状态为0指机器人传感器接收到包裹向投放位置移动的状态;当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置与机器人传感器相遇位置表示为Eε(xε,yε),其中:机器人传感器的状态为1指机器人传感器投递完包裹返回快递接收位置的移动状态,当只有一个机器人传感器提出充电请求时,移动充电装置就会向与该机器人传感器的相遇位置移动,给机器人传感器补充能量;在这样的网络环境下,我们用Si表示机器人传感器集合,其中下标i表示第i个机器人传感器;

Step2:每过一个时间间隔τ,移动充电装置会检查是否有新的机器人传感器提出充电请求或者是否有新的失效机器人传感器出现,若发生上述情况,会重新对机器人传感器得到能量补充的优先级从高到低进行排序,当有多个机器人传感器提出充电请求时,会给优先级最高的机器人传感器进行能量补充;

Step3:移动充电装置移动向与机器人传感器相遇的位置进行能量补充;

Step4:直到网络中失效机器人传感器达到设定的数目,此时将结束整个网络的充电过程,否则循环重复Step1、Step2、Step3。

具体地,实现Step1的具体步骤如下:

Step1.1、首先判断机器人传感器的状态为0还是为1;

Step1.2、当机器人传感器的状态为0时,得到移动充电装置、提出充电请求的机器人传感器、快递投放位置之间的的夹角为:

其中LCS表示移动充电装置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LMS表示快递投放位置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LCM表示移动充电装置和快递投放位置之间的欧几里得距离;

当机器人传感器的状态为1时,得到移动充电装置、提出充电请求的机器人传感器、快递接收位置之间的的夹角为:

其中LOS表示快递接收位置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LCO表示移动充电装置和快递接收位置之间的欧几里得距离;

Step1.3、此时根据公式1和5可以计算出移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间;

当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间为:

其中vs代表机器人传感器的移动速度;vc代表移动充电装置的移动速度(vc>vs);

当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间为:

Step1.4、根据公式8和9可以得到移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇的位置;

当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置与机器人传感器的相遇位置为:

xδ=xs+cosδvsTα (10)

yδ=ys+sinδvsTα (11)

其中由可以得到机器人传感器状态为0时的移动方向;

当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置与机器人传感器的相遇位置为:

xε=xs+cosεvsTβ (12)

yε=ys+sinεvsTβ (13)

其中由可以得到机器人传感器状态为1时的移动方向;

此时移动充电装置会移动向相遇位置Eδ(xδ,yδ)或Eε(xε,yε)与机器人传感器会合,进而补充能量。

具体地,实现Step2的具体步骤如下:

Step2.1、如果有多个机器人传感器提出充电请求,则依次将其加入到移动充电装置的服务池中,计算服务池中多个机器人传感器分别与移动充电装置的相遇时间,将相遇时间从小到大对应的机器人传感器排序;此时按序遍历服务池中的机器人传感器,若移动充电装置与机器人传感器的相遇时间大于其当前的生存时间,即移动充电装置以最短的时间移动向与机器人传感器的相遇位置依旧避免不了其死亡,则将该机器人传感器从服务池中删除;

其中tc为机器人传感器提出充电请求时的时间,t为当前时间,Eresidual为机器人传感器的剩余能量,ri为机器人传感器i的能量消耗率;

Step2.2、判断若给服务池中的任意一个机器人传感器充电是否会导致其余机器人传感器因等待时间过长而死亡,按照相遇时间从小到大的顺序遍历服务池中的机器人传感器,若优先给当前机器人传感器充电,预测将其余机器人传感器作为下一个充电机器人传感器时,其等待充电时间是否大于当前生存时间,若大于,则会导致其余机器人传感器死亡,其中下一个充电机器人传感器需要等待的时间为:

Einitial为机器人传感器初始能量,c为充电速度,tm为给当前机器人传感器充电完成到与下一个机器人传感器相遇的时间,可以由公式(8)和(9)得到,接着遍历服务池,直到给当前机器人传感器充电不会导致其余任何一个机器人传感器死亡,此时移动充电装置向当前机器人传感器的相遇位置移动,给其充电,在极端情况下,充电请求数量较多并且超过了移动充电装置的服务能力时,遍历完整个服务池都没有符合条件的机器人传感器,部分机器人传感器能量耗尽则不可避免,此时移动充电装置将移动向服务池中相遇时间最短的机器人传感器,给其充电。

具体地,实现Step3的具体步骤如下:

Step3.1、移动充电装置会检查是否已经到达相遇位置,若到达相遇位置,将会将调整到繁忙状态;若未到达相遇位置则继续移动,状态依旧为空闲状态,此时若有优先级更高的机器人传感器出现,则会发生抢断;

Step3.2、当移动充电装置到达相遇点后将降低速度与机器人传感器同步移动,并给机器人传感器进行能量补充,在此期间正在充电的机器人传感器不能被抢断,当充满电时,移动充电装置的状态将被转换为空闲状态。

本发明的有益效果是:本发明综合考虑了机器人传感器得到充电请求响应的充电延迟长短问题和公平性问题。计算得到移动充电装置和机器人传感器的最短相遇时间,并且在保证机器人传感器得到充电请求响应公平性的前提下,筛选出能量补充优先级最高的机器人传感器为下一个充电机器人传感器。该充电方法能够较好的缩短充电延迟、提高充电效率。并且在此方法中移动充电装置可以独立的完成充电任务,机器人传感器当前的任务不会被中断。

附图说明

图1为本发明快递自动分拣系统背景下的机器人传感器网络场景图;

图2为本发明能量补充算法流程图;

图3为本发明移动充电装置与机器人传感器相遇情况示意图;

图4为本发明下一个需要充电机器人传感器的选择过程图。

具体实施方式

为了更详细的描述本发明和便于本领域人员的理解,下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的描述,本部分的实施例用于解释说明本发明,便于理解的目的,不以此来限制本发明。

一种快递分拣背景下的机器人传感器网络能量补充方法,在快递分拣背景下的机器人传感器网络中,机器人传感器是移动的,因此移动充电装置只有在追上机器人传感器与之相遇后才能进行能量补充。当移动充电装置收到充电请求时,计算与每一个提出充电请求的机器人传感器相遇的时间,相遇时间短的机器人传感器得到能量补充的优先级比相遇时间长的机器人传感器得到能量补充的优先级高,并且在考虑了机器人传感器得到充电请求响应公平性问题的前提下,选出得到能量补充优先级最高的机器人传感器为下一个需要充电的机器人传感器。本发明对机器人传感器得到能量补充的优先级排序的思想特征为:

(1)对机器人传感器得到能量补充的优先级排序的结果简单,直观。

(2)移动充电装置给机器人传感器进行能量补充的顺序并非是按提出充电请求的先后顺序,而是按照与机器人传感器相遇时间由小到大的顺序。

(3)移动充电装置通过优先级选择下一个将要得到能量补充的机器人传感器的过程更加简便。

(4)按照优先级给机器人传感器补充能量的过程中不需要中断机器人传感器的当前任务。移动充电装置可以独立的完成充电过程。

本实施例具体包括以下步骤:

Step1:布置快递分拣系统的机器人传感器网络环境:在200m*200m的区域Ω内布置75个快递投放位置,1个快递接收位置,75个机器人传感器,一辆移动充电装置。当机器人传感器接收到包裹,扫描包裹上的位置二维码,译码后符合机器人传感器投递包裹的位置时,便接收此包裹进行投递,否则继续扫描下一个包裹。当机器人传感器投递包裹后返回到快递接收位置,重新接收包裹进行投递。机器人传感器在实现快递面单的信息读取,快递路径信息的记录和跟踪等功能时消耗能量,此时可能会导致能量低于阈值并向移动充电装置提出充电请求,移动充电装置会收集机器人传感器的位置和剩余能量信息。其中移动充电装置的位置表示为C(xc,yc),机器人传感器的位置表示为S(xs,ys),快递投放位置表示为M(xm,ym),快递接收位置表示为O(xo,yo)。当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置与机器人传感器相遇位置表示为Eδ(xδ,yδ),其中:机器人传感器的状态为0指机器人传感器接收到包裹向投放位置移动的状态;当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置与机器人传感器相遇位置表示为Eε(xε,yε),其中:机器人传感器的状态为1指机器人传感器投递完包裹返回快递接收位置的移动状态,其中当只有一个机器人传感器提出充电请求时,移动充电装置就会向与该机器人传感器的相遇位置移动,给机器人传感器补充能量。在这样的网络环境下,我们用Si表示机器人传感器集合,其中下标i表示第i个机器人传感器。

Step1.1、首先判断机器人传感器的状态为0(机器人传感器接收到包裹向投放位置移动的状态)还是为1(机器人传感器投递完包裹返回快递接收位置的移动状态)。

Step1.2、如图3a所示,当机器人传感器的状态为0时,得到移动充电装置、提出充电请求的机器人传感器、快递投放位置之间的的夹角为:

其中LCS表示移动充电装置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LMS表示快递投放位置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LCM表示移动充电装置和快递投放位置之间的欧几里得距离。

如图3b所示,当机器人传感器的状态为1时,得到移动充电装置、提出充电请求的机器人传感器、快递接收位置之间的的夹角为:

其中LOS表示快递接收位置和机器人传感器之间的欧几里得距离;LCO表示移动充电装置和快递接收位置之间的欧几里得距离。

Step1.3、此时根据公式1和5可以计算出移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间。

当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间为:

其中vs代表机器人传感器的移动速度;vc代表移动充电装置的移动速度(vc>vs)。

当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇所需要的时间为:

Step1.4、根据公式8和9可以得到移动充电装置和提出充电请求的机器人传感器相遇的位置,如图3a、3b中星型所示。

当机器人传感器的状态为0时,移动充电装置与机器人传感器的相遇位置为:

xδ=xs+cosδvsTα (10)

yδ=ys+sinδvsTα (11)

其中由可以得到机器人传感器状态为0时的移动方向。

当机器人传感器的状态为1时,移动充电装置与机器人传感器的相遇位置为:

xε=xs+cosεvsTβ (12)

yε=ys+sinεvsTβ (13)

其中由可以得到机器人传感器状态为1时的移动方向。

此时移动充电装置会移动向相遇位置Eδ(xδ,yδ)或Eε(xε,yε)与机器人传感器会合,进而补充能量。

Step2:每过一个时间间隔τ,移动充电装置会检查是否有新的机器人传感器提出充电请求或者是否有新的失效机器人传感器出现。若发生上述情况,会重新对机器人传感器得到能量补充的优先级从高到低进行排序。当有多个机器人传感器提出充电请求时,会给优先级最高的机器人传感器进行能量补充。

Step2.1、如图4a,有1,2,3,4,5号五个机器人传感器依次请求充电,移动充电装置根据公式(8)和(9)计算服务队列中机器人传感器与移动充电装置的相遇时间,按相遇时间从小到大(t1<t2<t3<t4<t5)给相应的机器人传感器排序,如图4b,即5,2,1,3,4。此时若单纯的考虑给相遇时间短的机器人传感器充电,则可能导致有些机器人传感器因等待时间过长而死亡。因此接着遍历服务池,根据以下公式(14)和(15)判断是否存在满足移动充电装置移动到与该机器人传感器相遇位置的时间大于其当前生存时间的请求,如1号节点,此时便将1号节点从服务池中删除,如图4c。

其中tc为机器人传感器提出充电请求时的时间,t为当前时间,Eresidual为机器人传感器的剩余能量,ri为机器人传感器i的能量消耗率。

Step2.2、再次遍历服务池,根据以下公式(17)判断优先给当前机器人传感器充电会不会导致将其余机器人传感器作为下一个充电机器人传感器时因等待时间过长而死亡。由于2号节点剩余能量过少,若优先给5号节点充电则会导致2号节点死亡,所以暂时先不给5号节点充电。接着遍历服务池,优先给2号节点充电,此时不会导致其余机器人传感器死亡便停止遍历,如图4d,移动充电装置移动向2号节点的相遇位置给其充电。其中下一个充电机器人传感器需要等待的时间为:

Einitial为机器人传感器初始能量,c为充电速度,tm为给当前机器人传感器充电完成到与下一个机器人传感器相遇的时间,可以由公式(8)和(9)得到。

Step3:移动充电装置移动向与机器人传感器相遇的位置进行能量补充。

Step3.1、移动充电装置会检查是否已经到达与2号机器人传感器的相遇位置,若到达相遇位置,将会将调整到繁忙状态。若未到达相遇位置则继续移动,状态依旧为空闲状态,此时若有优先级更高的机器人传感器出现,则会发生抢断。

Step3.2、当移动充电装置到达与2号机器人传感器相遇点后将降低速度与2号机器人传感器同步移动,并给机器人传感器进行能量补充。在此期间2号机器人传感器不能被抢断。当充满电时,移动充电装置的状态将被转换为空闲状态。

Step4:直到网络中失效机器人传感器达到设定的数目,此时将结束整个网络的充电过程,否则循环重复Step1、Step2、Step3。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员所具备的知识范围内,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思发明创造均在保护之列。

再多了解一些
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