CN103220778B - 一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法及实现装置 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法及实现装置，涉及无线传感器网络在多移动节点协作控制领域。本发明解决了现有的无线传感器网络移动节点的队形变换方法的队形成型速率低和稳定性差的问题。本发明中每个移动节点对自身的位置坐标进行定位，从节点计算出自身与主节点之间的距离及主节点与从节点的行进方向的偏转角，上位机将移动节点下一时刻的队形期望矩阵通过在协调器在无线网络内进行广播，从移动节点对当前自身的行进方向及偏转角度进行调整，完成队形变换，本发明所述装置由一个队形控制单元和N个移动节点组成，队形控制单元通过无线传输实现对移动节点行进方向与速度的控制，实现队形变换。本发明适用于多移动节点协作控制领域。

Description

一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法及实现装置

技术领域

本发明涉及无线传感器网络在多移动节点协作控制领域。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)将信息从获取到传输再到处理的三个过程相融合，是多种领域技术相结合的产物，以其自适应性强、覆盖面广、布局方便灵活等特点广泛应用于环境监测、医疗卫生、国防军事、空间探索及反恐抗灾等领域，作为当今时代的一项新技术，受到了越来越多的关注。

机器人间的编队控制是多机器人***研究领域中的一类常见的协作问题，已经成为多机器人***研究中的一个非常活跃的方向。近年来，机器人间的队形变换控制在军事侦察、飞行器编队飞行、搜寻、空间探测、排雷等领域的应用显得愈加广泛。对于一个多机器人协作***，多机器人形成并保持某个队形(如三角形、菱形、直线等)，并在运行的过程中对队形作恰当的变换具有许多的优点，但是现有无线传感器网络的移动节点的队形变换方法很容易受到外界环境因素的影响，造成移动节点的队形成型速率低、队形的稳定性差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的无线传感器网络移动节点的队形变换方法的队形成型速率低和稳定性差的问题，提供了一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法及实现装置。

本发明所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，

它首先将N个移动节点和M个信标节点组成无线网络，N个移动节点形成一个移动节点编队，N为大于或等于1的整数；M为大于或等于4的整数；在该移动节点编队选定其中一个移动节点作为主节点，其它节点为该主节点的从节点；在该无线网络中，每个移动节点能够实时接收到来自至少4个信标节点的位置参考信号；

在第K时刻下，K的初始值为1；基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的具体步骤为：

步骤一、每个移动节点通过信标节点对自身的位置坐标进行定位，主节点将自身的位置坐标在无线网络内广播；

步骤二、从节点接收主节点广播的位置信息，根据步骤一获得的自身的位置坐标计算出从节点与主节点之间的距离l及主节点与从节点行进方向的偏转角从节点将获得的距离l与偏转角的信息广播出去；

步骤三、采用协调器接收步骤一中主节点的广播信息和步骤二中从节点的广播信息后，将各个移动节点的位置信息、每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角发送给上位机；

步骤四、上位机根据接收到的每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角对该移动节点编队进行位置跟踪，并将K的值加1，并将第K+1时刻的队形期望矩阵Sd通过在协调器在无线网络内广播；

所述队形期望矩阵Sd包括期望距离l_d及期望角度

步骤五、移动节点编队中的各节点接收上位机发送的队形期望矩阵Sd，各从节点将第K时刻下的从节点与主节点之间的距离l与该期望矩阵Sd中的期望距离l_d进行比较；同时从节点将第K时刻下的主节点与每个从节点行进方向的偏转角与期望角度进行比较；根据就近原则选取出该从节点的期望距离与期望偏转角度；

步骤六、从节点采用双闭环控制法，根据步骤五选取出的该从节点的期望距离与期望偏转角度对自身的行进方向和速度进行调整，直至从节点达到期望的距离与偏转角度后，调整至与主节点同步运动；

完成第K+1时刻下的移动节点队形变换，返回步骤一，进行下一时刻的移动节点队形变换。

实现上述基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的装置包括队形控单元、N个移动节点和M个信标节点；队形控制单元、N个移动节点和M个信标节点均分布在无线网络内；

队形控制单元包括上位机、内嵌有无线通信模块的协调器和控制端天线；所述上位机的控制信号输出端连接内嵌有无线通信模块的协调器的控制信号输入端，调协器的无线信号输出端连接控制端天线的末端；

每个移动节点包括节点端天线、A/D转换器、滤波放大器、磁阻传感器、内嵌有无线通信模块的核心控制器和电机驱动装置；

磁阻传感器的磁阻采集信号输出端连接滤波放大器的信号输入端，滤波放大器(6)的滤波后信号输出端连接A/D转换器的模拟信号输入端，A/D转换器的数字信号输出端连接内嵌有无线通信模块的核心控制器的数字信号输入端，内嵌有无线通信模块的核心控制器的控制信号输出端连接电机驱动装置的控制信号输入端；节点端天线(4)的末端与内嵌有无线通信模块的核心控制器的无线信号输入端连接。

本发明采用基于接收信号强度的定位方法，借助双闭环控制法对当前队形进行控制，保证了移动节点在运行中队形的稳定性，本发明与现有方法相比队形成型速率提高了30％。同时，本发明的能量消耗低，成本低廉且易于实现。

附图说明

图1为包含一个移动节点和八个信标节点时的无线定位网络示意图，图中，“○”表示信标节点，“□”表示移动节点；

图2为本发明的移动节点编队变换成菱形队列的示意图；

图3为本发明的装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，它首先将N个移动节点和M个信标节点组成无线网络，N个移动节点形成一个移动节点编队，N为大于或等于1的整数；M为大于或等于4的整数；在该移动节点编队选定其中一个移动节点作为主节点，其它节点为该主节点的从节点；在该无线网络中，每个移动节点能够实时接收到来自至少4个信标节点的位置参考信号；

在第K时刻下，K的初始值为1；基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的具体步骤为：

步骤一、每个移动节点通过信标节点对自身的位置坐标进行定位，主节点将自身的位置坐标在无线网络内广播；

步骤二、从节点接收主节点广播的位置信息，根据步骤一获得的自身的位置坐标计算出从节点与主节点之间的距离l及主节点与从节点行进方向的偏转角从节点将获得的距离l与偏转角的信息广播出去；

步骤三、采用协调器接收步骤一中主节点的广播信息和步骤二中从节点的广播信息后，将各个移动节点的位置信息、每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角发送给上位机；

步骤四、上位机根据接收到的每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角对该移动节点编队进行位置跟踪，并将K的值加1，并将第K+1时刻的队形期望矩阵Sd通过在协调器在无线网络内广播；

所述队形期望矩阵Sd包括期望距离l_d及期望角度

步骤五、移动节点编队中的各节点接收上位机发送的队形期望矩阵Sd，各从节点将第K时刻下的从节点与主节点之间的距离l与该期望矩阵Sd中的期望距离l_d进行比较；同时从节点将第K时刻下的主节点与每个从节点行进方向的偏转角与期望角度进行比较；根据就近原则选取出该从节点的期望距离与期望偏转角度；

步骤六、从节点采用双闭环控制法，根据步骤五选取出的该从节点的期望距离与期望偏转角度对自身的行进方向和速度进行调整，直至从节点达到期望的距离与偏转角度后，调整至与主节点同步运动；

完成第K+1时刻下的移动节点队形变换，返回步骤一，进行下一时刻的移动节点队形变换。

本实施方式所述方法以无线传感器网络取代大量的传感器而进行信息的传输，完成对多移动节点的队形变换控制，使电路设计的复杂程度大幅度降低，并且距离的计算均在算法中实现，受到外界环境因素的影响小。

具体实施方式二、下面结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的进一步说明，步骤一中每个移动节点通过信标节点对自身的位置坐标进行定位的具体步骤为：

步骤A、待定位的移动节点在无线网络内广播信标节点位置坐标的请求信号；

步骤B、信标节点接收到待定位的移动节点的请求广播信号，计算出接收到的请求广播信号的强度值RSSI，并将计算获得的广播信号的强度值RSSI和自身的位置信息发送给待定位的移动节点；

步骤C、待定位的移动节点接收到信标节点发送的信标节点的位置信息和广播信号的强度值RSSI后，判断收到的信标节点广播信号的数量是否小于4个；如果判断结果为是，则对实际接收的广播信号强度值RSSI进行由大至小的排序，获得广播信号强度值RSSI的排序信息；如果判断结果为否，则按由大至小方式挑选n个信标节点的广播信号强度值RSSI，获得广播信号强度值RSSI的排序信息；n为大于或等于4的整数；

步骤D、采用核心控制器根据步骤C获得的广播信号强度值RSSI的信息，对待定位的移动节点进行搜索定位，确定移动节点的位置坐标，并将确定的位置坐标发送给待定位的移动节点，完成该移动节点的定位。具体实施方式三、本实施方式是对实施方式二所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的进一步说明，步骤B计算出接收到的请求广播信号的强度值RSSI由公式：

RSSI＝-(10·N·log₁₀D+A)

获得的，式中，

N为传播常量，表示信号传输过程中的路径损失指数；

D表示移动节点与信标节点之间的距离；

A表示距离待定位节点1m时，接收到的信号强度值，单位是dBm，A值设置在30.0到50.0之间，精度0.5m。

由上述公式可以看出，随着发射端与接收端的距离的增加，接收信号强度值随之减小。

具体实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的进一步说明，步骤四所述的队形期望矩阵Sd的具体形式：

式中，表示第m个从节点与主节点之间的偏转角度，l_dm表示第m个从节点与主节点之间的相对距离。当队形变换命令为菱形时，队形期望矩阵S_dia的具体形式为：

$S_{\mathrm{dia}}=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ \mathrm{\π}/3& 100\\ -\mathrm{\π}/3& 100\\ 0& 100\end{array}\right]$

具体队形如图2所示。

具体实施方式五、结合图3说明本实施方式，本实施方式所述的是具体实施方式一所述的基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的实现装置，它包括队形控单元、N个移动节点和M个信标节点；队形控制单元、N个移动节点和M个信标节点均分布在无线网络内；

队形控制单元包括上位机1、内嵌有无线通信模块的协调器2和控制端天线3；所述上位机1的控制信号输出端连接内嵌有无线通信模块的协调器2的控制信号输入端，调协器2的无线信号输出端连接控制端天线3的末端；

每个移动节点包括节点端天线4、A/D转换器5、滤波放大器6、磁阻传感器7、内嵌有无线通信模块的核心控制器8和电机驱动装置9；

磁阻传感器7的磁阻采集信号输出端连接滤波放大器6的信号输入端，滤波放大器6的滤波后信号输出端连接A/D转换器5的模拟信号输入端，A/D转换器5的数字信号输出端连接内嵌有无线通信模块的核心控制器8的数字信号输入端，内嵌有无线通信模块的核心控制器8的控制信号输出端连接电机驱动装置9的控制信号输入端；节点端天线(4)的末端与内嵌有无线通信模块的核心控制器8的无线信号输入端连接。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式六所述的实现基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的实现装置的进一步说明，内嵌有无线通信模块的核心控制器8采用型号为CC2431的单片机实现。

移动节点的核心控制器为CC2431，其内部集成定位监测硬件核心，由该定位监测硬件实现的定位精度远高于卫星定位的精度，本发明基于改进的领航-跟随者(Leader-Follower)法及控制法来完成队形的变换和队形稳定性的控制，改进后的Leader-Follower法大大减轻了主节点的工作任务量，将原本属于Leader的任务平均分配给每个Follower执行，从而减少了Leader的决策时间，加快了队形形成的速率，同时通过闭环控制器从角度及距离两方面着手对队形进行修正和调整以保证队形的稳定性。在队形的变换及队形的保持过程中，各从移动节点Follower均以主节点Leader为参考点进行位姿的变换。移动节点接收到队形的变换命令后，调整自身的位姿形成新的队形，如：菱形队列、三角队列等等。移动节点在获取目标点的位置信息后，即可借助信标节点提供的信息以一定的队形前进，磁阻传感器检测移动节点的航向角，经核心控制器处理后改变输出的PWM控制信号的占空比，调整移动节点的位姿，从而实现队形变换和队形保持。

Claims (6)

1.一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，其特征在于，

它首先将N个移动节点和M个信标节点组成无线网络，N个移动节点形成一个移动节点编队，N为大于或等于1的整数；M为大于或等于4的整数；在该移动节点编队选定其中一个移动节点作为主节点，其它节点为该主节点的从节点；在该无线网络中，每个移动节点能够实时接收到来自至少4个信标节点的位置参考信号；

在第K时刻下，K的初始值为1；基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的具体步骤为：

步骤一、每个移动节点通过信标节点对自身的位置坐标进行定位，主节点将自身的位置坐标在无线网络内广播；

步骤二、从节点接收主节点广播的位置信息，根据步骤一获得的自身的位置坐标计算出从节点与主节点之间的距离l及主节点与从节点行进方向的偏转角从节点将获得的距离l与偏转角的信息广播出去；

步骤三、采用协调器接收步骤一中主节点的广播信息和步骤二中从节点的广播信息后，将各个移动节点的位置信息、每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角发送给上位机；

步骤四、上位机根据接收到的每个从节点与主节点之间的距离l及主节点与每个从节点行进方向的偏转角对该移动节点编队进行位置跟踪，并将K的值加1，并将第K+1时刻的队形期望矩阵Sd通过在协调器在无线网络内广播；

所述队形期望矩阵Sd包括期望距离l_d及期望角度

步骤五、移动节点编队中的各节点接收上位机发送的队形期望矩阵Sd，各从节点将第K时刻下的从节点与主节点之间的距离l与该期望矩阵Sd中的期望距离l_d进行比较；同时从节点将第K时刻下的主节点与每个从节点行进方向的偏转角与期望角度进行比较；根据就近原则选取出该从节点的期望距离与期望偏转角度；

步骤六、从节点采用双闭环控制法，根据步骤五选取出的该从节点的期望距离与期望偏转角度对自身的行进方向和速度进行调整，直至从节点达到期望的距离与偏转角度后，调整至与主节点同步运动；

完成第K+1时刻下的移动节点队形变换，返回步骤一，进行下一时刻的移动节点队形变换。

2.根据权利要求1所述一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，其特征在于，步骤一中每个移动节点通过信标节点对自身的位置坐标进行定位的具体步骤为：

步骤A、待定位的移动节点在无线网络内广播信标节点位置坐标的请求信号；

步骤B、信标节点接收到待定位的移动节点的请求广播信号，计算出接收到的请求广播信号的强度值RSSI，并将计算获得的广播信号的强度值RSSI和自身的位置信息发送给待定位的移动节点；

步骤C、待定位的移动节点接收到信标节点发送的信标节点的位置信息和广播信号的强度值RSSI后，判断收到的信标节点广播信号的数量是否小于4个；如果判断结果为是，则对实际接收的广播信号强度值RSSI进行由大至小的排序，获得广播信号强度值RSSI的排序信息；如果判断结果为否，则按由大至小方式挑选n个信标节点的广播信号强度值RSSI，获得广播信号强度值RSSI的排序信息；n为大于或等于4的整数；

步骤D、采用核心控制器根据步骤C获得的广播信号强度值RSSI的信息，对待定位的移动节点进行搜索定位，确定移动节点的位置坐标，并将确定的位置坐标发送给待定位的移动节点，完成该移动节点的定位。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，其特征在于，步骤B计算出接收到的请求广播信号的强度值RSSI由公式：

RSSI＝-(10·N·log₁₀D+A)

获得的，式中，

N为传播常量，表示信号传输过程中的路径损失指数；

D表示移动节点与信标节点之间的距离；

A表示距离待定位节点1m时，接收到的信号强度值，单位是dBm。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法，其特征在于，步骤四所述的队形期望矩阵Sd的具体形式：

式中，表示第m个从节点与主节点之间的偏转角度，l_dm表示第m个从节点与主节点之间的相对距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的实现装置，其特征在于，它包括队形控制单元、N个移动节点和M个信标节点；队形控制单元、N个移动节点和M个信标节点均分布在无线网络内；

队形控制单元包括上位机(1)、内嵌有无线通信模块的协调器(2)和控制端天线(3)；所述上位机(1)的控制信号输出端连接内嵌有无线通信模块的协调器(2)的控制信号输入端，调协器(2)的无线信号输出端连接控制端天线(3)的末端；

每个移动节点包括节点端天线(4)、A/D转换器(5)、滤波放大器(6)、磁阻传感器(7)、内嵌有无线通信模块的核心控制器(8)和电机驱动装置(9)；

磁阻传感器(7)的磁阻采集信号输出端连接滤波放大器(6)的信号输入端，滤波放大器(6)的滤波后信号输出端连接A/D转换器(5)的模拟信号输入端，A/D转换器(5)的数字信号输出端连接内嵌有无线通信模块的核心控制器(8)的数字信号输入端，内嵌有无线通信模块的核心控制器(8)的控制信号输出端连接电机驱动装置(9)的控制信号输入端；节点端天线(4)的末端与内嵌有无线通信模块的核心控制器(8)的无线信号输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的移动节点队形变换方法的实现装置，其特征在于内嵌有无线通信模块的核心控制器(8)采用型号为CC2431的单片机实现。