CN104184781A - 面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络 - Google Patents

Abstract

1.本发明提供一种面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络，***包括远程控制平台、ZigBee无线传感器网路***和移动机器平台。移动机器人平台携带ZigBee无线传感器网路节点进入。2.未知环境进行探测，在探测过程中按照需求不断部署传感器网络节点，无线传感器网络节点被投放后加入网络，利用自身的射频模块，作为通信中继来延长机器人的控制距离，利用自身的环境传感器模块来实时监控环境，扩大了监控范围，并利用自身的位置信息作为定位锚点来辅助机器人定位。本发明可以很好实现机器人对未知环境的快速探测和较为精确的定位，可以很好地应用于灾难救援、环境勘测等未知环境的探测领域。

Description

面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、机器人控制、灾难救援等领域，具体涉及一种面向未知环境探测的节点自部署的移动机器人感知网络。

背景技术

近年来，救援和探测机器人是当今国内外的研究热点之一。对灾难现场等未知环境的探索和实时监测，成为了该领域研究的热点和难点。当灾难发生时，需要对灾难现场进行快速的搜索和全面的监控，便于救援人员展开及时而又有效的救援工作。然而灾难后的现场环境，受破坏比较严重，存在着很大程度的不确定性，有时甚至是完全未知的环境，并且环境较恶劣危险、存在潜在危险，容易对人体造成伤害，因此需要机器人进入危险环境承担探测工作。为了完成机器人未知环境探测的作业任务，机器人必须在未知环境下能够在较大范围内进行自主导航，而远距离通信和可靠的定位是机器人导航的基础。

现有的探测和救援机器人的定位方法大多是针对已知环境，基于先验地图信息，利用在环境预先设置路标进行定位。而对于未知环境，已有的方法多仅仅依靠自身的惯性导航进行自身定位，或多假设环境中存在足够多易于提取的自然特征，机器人进入环境后对这些特征进行测量和估计，并借助它们进行自身定位。然而，在实际应用当中，待探测的环境多为未知环境，而且真正的未知环境中往往没有充足的易于提取的几何特征，仅仅依靠惯性导航定位误差会不断累积，因此现有的方法并不可行。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN），作为一种新兴的先进技术，被评选为改变未来世界的十大新兴技术之一和可能掀起新产业浪潮的未来四大高新科技之一，在军事、工业和安全监控等领域得到了越来越广泛的应用。WSN具有密集分布的节点，能够提供灾难现场全局环境信息和变化趋势。将WSN应用到机器人***当中，可以极大地扩展机器人的环境感知能力，同时WSN还能够作为机器人通讯和计算的媒介，延长机器人的通信并提高其受控效率。

发明内容

针对未知环境探测方面现有技术的不足，本发明提供了一种面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络，将无线传感器网络与移动机器人结合，利用无线传感器网络低功耗、自组网、低复杂度、快速、可靠、安全等特性，来延长移动机器人平台的控制距离，扩大监控范围，同时辅助机器人定位，可以较好地完成对未知环境的探测和监控作业。

本发明的技术方案是：面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络，包括ZigBee无线传感器网络***、机器人移动平台和远程控制平台。机器人移动平台携带ZigBee无线传感器网络节点进入未知环境进行探测，其间根据需要，自动部署传感器网络节点，一方面利用传感器网络节点作为通信中继来延长机器人的控制距离，另一方面利用传感器网络节点来进行环境监控，再者，作为定位锚点对机器人进行辅助定位，较好地削减机器人惯性导航的累积误差。

无线传感器网络节点包括控制器、环境监测传感器模块、射频模块、电源模块及指示灯。环境监测传感器模块与控制器的引脚相连，包括温度传感器、湿度传感器、有害气体浓度传感器、光强传感器及人体红外传感器等模块，用于采集环境信息，可根据具体环境和实际需要进行配置。工作指示灯用于指示该节点是否工作。射频模块用于发射接收无线信号。电源模块为节点供电。

在部署的网络***中，无线传感器网络节点包括三种类型，即网关节点、路由节点和移动节点。无线传感器网络采用ZigBee协议。网关节点为ZigBee协调器，与远程控制平台通过串口相连接，负责对整个网络进行组织和管理，并与远程控制平台进行数据交互。路由节点为ZigBee路由，被移动机器人平台动态部署到未知环境中，作为数据中继，增加了网络的覆盖面积，从而实现了机器人通信距离的延长、监控范围的扩大。再者，被投放的节点，通过机器人获取自身的位置信息，作为定位锚点，对机器人进行辅助定位。移动节点，固定于机器人平台上，通过串口机器人平台通信，用于连接机器人平台和传感器网络，同时作为信号强度的检测单元，用于选择节点的投放时机和机器人的辅助定位信号的接收。

移动机器人平台，由控制器、避障模块、惯性导航模块、节点投放模块、ZigBee无线通信模块、环境探测传感器模块以及电源模块组成。避障模块包括激光雷达、超声波模块，用于避障；惯性导航模块包括加速度计、陀螺仪等对机器人进行惯性导航；ZigBee无线通信模块为ZigBee移动节点，用于与传感器网络进行通信；环境探测传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、有害气体浓度传感器、光强传感器、人体红外传感器、有害气体浓度传感器等，对环境进行多方位的探测；节点投放模块用于存储带投放节点，并执行节点投放任务；电源模块用于为各模块供电。

***的运行共分为两个阶段：探测阶段和巡逻阶段。

在探测阶段，机器人需要快速遍历灾难现场，进行人员搜救和对全局环境的进行掌控，并部署传感器网络节点对现场进行监控。该阶段的步骤如下：

步骤1：探测阶段准备工作。打开移动机器人电源，进行模块初始化，在机器人平台上装载足够多配置好的传感器网络节点，并放置于未知环境入口，同时组建ZigBee网络；

步骤2：探测过程阶段。移动机器人运用自身的避障传感器和惯性导航传感器在灾难现场进行探测；

步骤3：节点部署阶段。在探测过程中，机器人上无线通信模块实时检测与上一跳节点的无线信号强度，一旦低于设定的阀值，机器人便自动部署一个新的传感器网络节点。新部署的传感网络节点被投放后，立即加入网络，作为数据中继，保持信号的强度。同时该节点作为监控节点，利用自身携带的环境监测传感器开始监控周围环境；

步骤4：节点定位阶段。机器人会根据自身惯性导航对新投放的节点进行定位，位置信息通过无线方式告知该节点。节点接受到自身位置信息后进行存储，用于作为定位锚点来辅助机器人定位；

步骤5：不断重复步骤3和步骤4过程，直到整个环境探测结束。

在巡逻阶段，探测阶段结束后，机器人开始巡逻灾难现场，并对传感器网路进行修复。由于节点体积和处理能力等因素的限制，其携带的传感器数量和类型有限，机器人会根据已部署传感器网络节点测取的环境信息前往各敏感区域，依靠自身更全面的传感器和设备对这些敏感区域进行更全面的探测和相应的处理。在前往敏感区域的过程中，惯性导航的定位误差累积的已较大，此时传感器网络依靠自身的位置信息对机器人进行定位，可以很好将机器人的位置误差控制在较小的范围内。

***的定位策略，为了兼顾机器人平台的对未知环境的探测速度和在环境中的定位精度，将机器人的具有累计误差惯性导航与具有绝对误差的传感器网络节点的定位进行结合。惯性导航定位误差与机器人运行距离成正比，在短距离内误差较小，而长距离运行后误差会不断累计。而传感器网路的定位误差相对较大，但其不随机器人运行距离而累积。因此在部署节点阶段，由于运行距离较短，机器人的惯性导航相对于传感器网络的定位误差较小，依靠机器人的惯性导航对节点进行定位；而当机器人巡逻灾难现场时，惯性导航的误差已累积到一定程度，此时依靠已部署的节点对机器人的惯性导航定位进行修正，从而很好地解决了机器人探测的快速性和定位的精确性的矛盾。

本发明的优点与积极效果是：

（1）移动机器人平台可携带无线传感器网络节点，在灾难现场投放部署，构建无线传感器网络***，所形成的无线多跳通信构成数据通信中继，能够有效扩大机器人的控制范围，克服当前有线电缆及无线遥控距离受限的弊端。

（2）救援机器人携带并投放的传感器网络节点集成了多种传感器，能够实时获取综合性的现场信息，扩大机器人***的监控和搜救区域，赋予救援机器人以更强的观察和搜索能力。

（3）实时部署的无线传感器网络节点，将构成救援机器人运动过程中的定位锚点，为机器人提供辅助定位信息，有助于消减机载惯性传感器的累积误差和位移数据误差，准确获取机器人及其搜索目标的实时位置数据。

附图说明

图1　本发明的***示意图

图2　本发明的结构示意图

图3  ZigBee无线传感器节点结构示意图

图 4  机器人结构示意图

图5  节点投放装置结构示意图

图6  节点投放装置投放执行机构示意图

图7  节点动态部署流程图

图8  节点辅助机器人定位原理示意图

图 1中 1.远程控制平台，2.网关节点，3.路由节点，4.移动机器人平台；

图5中41.固定前面板，42. 节点存储仓，43. 长直角支撑架，44. 缓冲橡胶片，45.滑道，46.舵机，47.曲柄滑块机构，48.拉杆，49.传感器网络节点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1和图2，面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络，由无线传感器网络***，移动机器人平台和远程控制平台三部分组成。机器人携带足够多的无线传感器节点，在远程控制平台的控制下，通过自主或遥控方式在灾难现场等未知环境中，进行探测和部署无线传感器网络节点，来达到延长控制距离，扩大监控范围，辅助定位等目的。

***部署的无线传感器网络***包括网关节点、路由节点和移动节点。无线传感器网络采用ZigBee协议，节点控制器硬件平台选用CC2530，具有低成本、低功耗、自组网、低复杂度、快速、可靠、安全等特性。网关节点为ZigBee协调器，与远程控制平台通过串口相连接，负责对整个网络进行组织和管理，并与远程控制平台进行数据交互。路由节点被移动机器人平台动态部署至未知环境当中。节点被部署后立即加入网络，成为数据中继，增强了机器人平台与远程控制平台连接信号强度，保持数据传输的可靠性。同时被投放的路由节点作为环境检测点，利用自身携带的环境检测传感器，如温度传感器、湿度传感器、有害气体浓度传感器、光强传感器及人体红外传感器等才对环境进行实时监控，克服了机器人监控范围有限的缺点，极大地扩大了环境的监控范围。再者，被投放的节点，通过机器人获取自身的位置信息后，作为定位锚点，对机器人进行辅助定位，来消减惯性导航误差的累积。移动节点，固定于机器人平台上，通过串口机器人平台通信，用于连接机器人平台和传感器网络，同时作为信号强度的检测单元，用于选择节点的投放时机和接受定位锚点的信号强度实现已部署传感器网络对机器人的辅助定位。移动节点利用ZigBee网络动态特性，虽位置不断地改变，网络会自动对其父节点进行调整，保持移动节点始终处于网络当中。

参见图3，无线传感器网络节点包括控制器、环境监测传感器模块、射频模块、电源模块及指示灯。环境监测传感器模块与控制器的引脚相连，包括温度传感器、湿度传感器、有害气体浓度传感器、光强传感器及人体红外传感器等模块，用于采集环境信息，可根据具体环境和实际需要进行配置。工作指示灯用于指示该节点是否工作。射频模块用于发射接收无线信号。电源模块为节点供电。

参见图4，移动机器人平台，由避障模块、惯性导航模块、节点投放模块、ZigBee无线通信模块、环境探测传感器模块以及电源模块组成。避障模块包括激光雷达、超声波模块，用于避障；惯性导航模块包括加速度计、陀螺仪等对机器人进行惯性导航；ZigBee无线通信模块为ZigBee移动节点；环境探测传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、有害气体浓度传感器、光强传感器、人体红外传感器、有害气体浓度传感器等，对环境进行多方位的探测；电源模块用于为各模块供电。

参见图5和图6，节点投放模块包括固定前面板41、节点存储仓42、长直角支撑架43、缓冲橡胶片44、滑道45、舵机46、曲柄滑块机构47、拉杆48。整个装置呈“口”字形，斜跨于机器人上，通过固定前面板41和拉杆48固定于机器人平台上。主体由两侧相互对称的独立投放机构组成，包括节点存储仓42、长直角支撑架43、缓冲橡胶片44、舵机46、曲柄滑块机构47，通过固定前面板41和滑道45连接。节点存储仓42固定于长直角支撑架43上，仓内存储有待投放的传感器网络节点49，其与地面成一定夹角使节点49能够依靠自身重力下滑；缓冲橡胶片44固定于长直角支撑架43上，位于节点存储仓42管口处，用于节点49掉落时的速度缓冲和姿态修正；舵机46、曲柄滑块机构47、滑道45组成了所述节点投放模块的执行机构。舵机46通过控制线与移动机器人平台的控制器连接，舵机46的轴与曲柄滑块机构47的连杆连接。曲柄滑块机构47固定于滑道45上，用以将舵机46的轴在一定角度内的圆周运动转化为直线运动，将节点推出滑道45。投放节点时，控制器发出投放指令，控制舵机46的轴转动一定角度，带动曲柄滑块机构47动作，使曲柄滑块机构47的滑块推出，将节点推出滑道45，之后舵机46的轴回转，将曲柄滑块机构47的滑块收回，从而实现节点的连续投放。

***的运行共分为两个阶段：探索阶段和巡逻阶段。

参见图7，探测阶段的实施步骤如下：

步骤1：探测阶段准备工作。打开移动机器人电源，对机器人各模块进行初始化。打开ZigBee协调器节点，建立一个ZigBee网络，并与远程控制平台进行连接。在机器人平台上装载足够多的配置好的传感器网络节点，并控制机器人按照人为指定方向进入环境，开始探测作业；

步骤2：探测过程阶段。移动机器人运用自身的避障传感器和惯性导航传感器在灾难现场进行导航。通过自身环境检测传感器，对现场的环境信息进行采集和人员搜索，并实时返回给远程控制平台，同时对探测范围内的紧急情况进行处理；

步骤3：节点部署阶段。在探测过程当中，机器人上无线通信模块（即移动节点）实时检测与前一跳节点的的RSSI值（无线接收的信号强度），一旦RSSI值低于设定的阀值，机器人便自动部署一个新的传感器网络节点。新部署的传感网络节点被投放后，立即加入网络，并获得一个该网络中唯一的网络地址参与通信。新部署的节点会作为数据中继，保持信号的强度。同时该节点作为监控节点，利用自身携带的环境监测传感器监控周围环境，并实时返回给远程控制平台。

步骤4：节点定位阶段。由于在较短距离内，机器人自身惯性导航的误差较小，故此时机器人会根据自身惯性导航对新投放的节点进行定位，获得位置信息进行存储，并通过无线方式告知该节点。节点接受到自身位置信息后进行存储，用于作为定位锚点辅助机器人定位。

步骤5：不断重复步骤3和步骤4过程，直到整个环境探测结束。

需要说明的是，关于RSSI阀值的选取，应根据未知环境的实际情况及实际需求进行选取。RSSI阀值的选取影响着传感器网络的疏密程度，阀值越大（RSSI值随着信号强度的减弱而减小）则传感器网络越密，反之越稀疏。越密则传感器网络的定位精度越高，但会是机器人的探测速度变慢；反之越低，但探测速度越快。在对探测速度要求比较高的场合，RSSI阀值相应地设置小一些；在对定位精度要求较高的场合，则RSSI阀值相应地设置大一些。

在巡逻阶段，探测阶段结束后，机器人开始巡逻灾难现场，并对传感器网路进行修复。由于节点体积和处理能力等因素的限制，其携带的传感器数量和类型有限，机器人会根据已部署传感器网络节点测取的环境信息前往各敏感区域，依靠自身更全面的传感器和设备对这些敏感区域进行更全面的探测和相应的处理。在前往敏感区域的过程中，惯性导航的定位误差累积的已较大，此时传感器网络依靠自身的位置信息对机器人进行定位，可以很好将机器人的位置误差控制在较小的范围内。

***的定位策略，为了兼顾机器人的探测速度和定位精度，将机器人的具有累计误差惯性导航与具有绝对位差的传感器网络节点的定位进行结合。惯性导航定位误差与机器人运行距离成正比，在短距离内误差较小，而长距离运行后误差会不断累计。而传感器网路的定位误差相对较大，但其不随机器人运行距离而累计。因此在部署节点阶段，依靠机器人的惯性导航对节点进行定位；而在机器人巡逻灾难现场是，依靠节点对机器人的惯性导航定位进行修正，从而很好地解决了对未知环境探测的快速性和定位的精确性的矛盾。

参见图8，在巡逻阶段传感器，传感器网络辅助机器人定位来消减机器人惯性导航的累积误差。机器人通过移动节点搜索邻居节点并广播定位请求。移动节点的邻居节点收到定位请求后，连接向移动节点发送数据，由移动节点分别测取其RSSI值，并利用公式1计算出每个节点到移动节点的距离d₁、d₂…d_n。

                                                                      （1）

其中n为信号传播常数，与信号的传输环境有关；d为接收节点与发送节点之间的距离；A为距离发送节点1米时的信号强度。

之后利用质心法、最大似然法等方法对移动节点进行定位，即对移动机器人平台进行定位。

Claims (2)

1.面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络由ZigBee传感器网络、移动机器人及远程控制平台构成；移动机器人平台携带ZigBee无线传感器网路节点进入未知环境进行探测，在探测过程中按照需求不断部署传感器网络节点；已部署的传感网络节点，利用自身的射频模块作为通信中继，延长控制距离，并利用自身携带的环境监测传感器对自身周围的环境进行监测，同时作为定位锚点辅助机器人定位；其特征在于：***的运行分为探测、巡逻等两个阶段，在探测阶段实现未知环境的探测和传感器网络节点的部署，在巡逻阶段根据已部署传感器采集的数据引导机器人前往目标区域，期间***利用已部署的传感器网络节点对机器人进行辅助定位，校正惯性导航长时间运行积累的误差。

2.所述的面向未知环境探测的移动机器人自部署感知网络，其特征在于，***探测阶段的执行步骤为：

步骤1：探测阶段准备时，对机器人各模块进行初始化；打开ZigBee协调器节点建立ZigBee网络，并与远程控制平台进行连接；在机器人平台上装载足够多的配置好的传感器网络节点，并控制机器人按照指定方向进入环境，开始探测作业；

步骤2：探测过程阶段，移动机器人运用自身的避障传感器和惯性导航传感器在灾难现场进行导航，通过自身环境检测传感器，对现场的环境信息进行采集和人员搜索，并实时返回给远程控制平台，同时对探测范围内的紧急情况进行处理；

步骤3：节点部署阶段，在探测过程当中，机器人上无线通信模块（即移动节点）实时检测与前一跳节点的的RSSI值（无线接收的信号强度），一旦RSSI值低于设定的阀值，机器人便自动部署一个新的传感器网络节点；新部署的传感网络节点被投放后，立即加入网络，参与***的工作；

步骤4：节点定位阶段，机器人根据自身惯性导航对新投放的节点进行定位，获得位置信息后进行存储，并通过无线方式告知该节点，节点接受到自身位置信息后进行存储；

步骤5：不断重复步骤3和步骤4过程，直到整个环境探测结束。