基于ZigBee的移動機器人定位研究

徐柳坡，韓英哲，馬 放

(1.華北醫療健康產業集團有限公司，河北 石家莊 050001； 2.中國電子科技集團公司第十三研究所,河北 石家莊 050001)

0 引言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSN)是一種分布式傳感網絡，具備分布式、自組織、富網絡節點的特點。它的末梢帶有各種類型傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器、震動傳感器等。此外，它還具有節能、低成本、布局方便靈活等特點。然而，在無線傳感器網絡中沒有位置信息的檢測數據。所以，基于ZigBee的節點定位是無線傳感器網絡的關鍵支撐技術之一。與GPS定位相比，ZigBee定位有其場所優勢。由于GPS定位需借助太空衛星信號，故其適用于無遮擋的室外環境，一旦進入室內或地下等遮擋環境，將無法接收信號或無法實現精準定位。基于ZigBee技術定位可以為醫院、礦井、隧道等遮擋空間提供人員的實時位置信息[1]。

在無線傳感器網絡中，定位方法不計其數。將其按照位置估算的機制劃分，有基于距離的定位機制、與距離無關的定位機制[2]。其中，基于距離的定位機制，主要包括：基于到達時間的定位機制、基于接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)的定位機制等。與距離無關的定位機制主要包括：DV-Hop算法、APIT算法等。綜合考慮以上幾種測距技術的不同特點和應用特性，基于RSSI的測距技術有很明顯的自身特性。將接收到的信號強度結合傳播過程中的損耗，利用信號傳播模型將傳播損耗轉換為距離[3]。與其他測距技術相比，RSSI測距具有很強定位優勢，它具有成本低、計算快、易實現等優點；同時，硬件投入少，無需額外的硬件。但它也具有諸如多路衰減、背景噪聲干擾的缺點[4]。

本文設計了一種基于RSSI的優化定位算法，在RSSI測距基礎上使用最小二乘法修正距離，并輔以質心算法，以提高復雜室內環境下的定位精度。三邊定位算法的定位原理決定了其只適用于二維平面，在復雜室內環境的情況下，對信號干擾較大，得到的位置無法保證精度。本文試驗中，將參考節點放置在室內高處，以減少地面物品的干擾。此時，參考節點與移動節點處于不同水平面，會造成較大的定位誤差[5]。基于以上分析，本文提出了一種空間映射模型，較好地解決了這個問題。

1 系統硬件總體架構及功能

系統硬件組成原理如圖1所示。

圖1 系統硬件組成原理圖

本系統硬件主要使用了以S3C6410芯片為核心、以飛凌ARM11開發板作為移動平臺的iRobot Create移動掃地機器人，以及提供定位的CC2430/CC2431 ZigBee無線傳感器開發套件。此外，硬件還包括提供系統網絡支撐的USB無線網卡、計算機等。

本文將ARM開發板和CC2431傳感器節點固定在iRobot Create移動掃地機器人上，實現自由組網，并通過引入ARM11，大大增強了系統的計算速度。經過定位算法處理，將定位坐標以WiFi形式發送至上位機Linux系統，在計算機的Qt界面中實時顯示移動節點/機器人當前位置。

2 基于RSSI原理的優化定位算法

2.1 RSSI測距原理

RSSI是利用無線電信號傳播的衰減規律，根據已知收發信號強度，測得兩個節點間的距離，進而根據距離進行定位的一種定位技術。其中，RSSI隨著信號傳播距離的增加而減小，兩者的關系可以用式(1)表示。

RSSI=-(10×n×lgd+A)

(1)

式中:n為信號傳播因子；d為收發節點之間的距離。

式(1)中，RSSI和d跟常數A和n的值有直接關系[6-8]。射頻參數A的單位為dBm，表示在發射器1 m距離的位置，RSSI平均值的絕對值；參數n表示距離每增加1 m接收能量強度的衰減值，衰減值與傳播介質有關。在測量n值時，使用不同的n_index值，通過查找n與n_index對應表找到最接近具體環境的n值。

2.2 移動機器人優化定位算法

三邊測量法如圖2所示。

圖2 三邊測量法示意圖

本文試驗使用了4個參考節點，并且將其放置到高于地面的同一水平面上，以減少地面障礙物對信號的影響。采用信號最優原則，規避由于障礙物遮擋或其他偶然誤差的因素，選取4個參考節點中信號強度最優的3個參考節點，再借助三邊測量法進行定位。三邊測量法的原理就是根據不在同一條直線的3個已知位置及其相互距離，計算得到未知節點的坐標位置[9]。

首先，測量移動節點(X,Y)到各參考節點(Xi，Yi)的距離xi，i=1，2，3，4。于是有：

第二，根據式(1)計算出移動節點到各參考節點的距離yi，i=1，2，3，4。

(2)

于是根據式(2)，可以求出變量a和b：

(3)

結合式(1)，得到修正距離y修與估計距離的關系為：

(4)

最后，連接整個硬件定位系統，利用式(1)計算出移動節點與參考節點的距離x，并通過最小二乘法原理修正估計距離x，得到y修[10]。

根據圖2所示，由兩點之間的距離公式可以得到式(5)：

(5)

由式(5)可以得到移動節點D的坐標，為：

(6)

由于環境復雜，使用三邊測量法在實際應用中會導致3個圓未形成共同交點，而是3個交點成為一個區域[11]。本文引入質心定位算法，以進一步彌補三邊測量法受障礙物遮擋導致的定位缺陷，較大地提高了定位精度。

系統測量時，協調節點每收到一次來自移動節點的信息，都會首先進行一次處理，然后交由上位機軟件進行二次處理。因為每次測量都是獨立的，定位本身由于位置環境的變化會造成一定的誤差，使界面坐標值偶爾產生瞬間大波動。為了解決上述定位問題，本文采用數據平均值作為移動節點的坐標：

(7)

CC2431內嵌的定位引擎支持3到16個參考節點定位運算，具有快速、高精度且不占用處理器的時間的優點。綜合定位算法、定位精度以及成本三方面因素，本文采用了4個參考節點。由于節點距離越遠，室內環境變化及信號衰減的不確定性越大，計算得到的RSSI值比真實值差距更大。所以本文采用距離移動節點最近的4個參與計算。試驗表明，剔除信號最弱的一個參考節點坐標，能夠有效提高定位精度。

最后，通過計算得到RSSI值。為了減少偶然誤差造成的影響，本文創新性地采用切尾平均數法，以提高定位精度。具體方法為，讀取10個RSSI值，去除其中的最大值和最小值，再求平均。

通過以上四步改進，使定位精度得到了明顯的提高。

3 系統人機交互界面設計

人機交互界面是本系統的重要組成部分，用于展示系統的定位信息。考慮到擴展性和移植性，本文采用跨平臺的Qt軟件對人機交互界面進行設計。它可以收發信息，實現人機交互，實時接收、實時顯示機器人的位置坐標。本文設計了人機交互界面，結合自行定制的地圖顯示功能，實時顯示移動機器人的位置。更重要的是，該系統保留了接口，為后續開發提供了便利。

ZigBee定位標簽頁可以設置參考節點的位置和高度，并根據實際情況調節參考節點水平坐標，以及參考節點和移動節點的高度差。隨著移動機器人移動，坐標數據會實時進行顯示并形象到在地圖中對應的移動。

4 移動機器人定位試驗性能測試

本試驗采用了移動節點和協調節點固定在移動機器人的方案。該方案的優點是組網更加靈活，后續無需更換網絡就能擴展其他室內區域。參考節點放在室內屋頂處，可減少室內障礙物的影響。

4個參考節點分別布置在室內(0.00，0.00)、(6.00，0.00)、(0.00，6.00)、(6.00，6.00)的等邊區域。在距離參考節點1 m處，每隔22.5°測量一次RSSI值，對得到的16個數值求平均得到A值；多次重復試驗驗證，得到n值。接著，由式(2)和式(3)得到a=1.058，b=0.193。由式(4)可得y修與估計距離的關系為：

(8)

最后進行組網試驗測試，得到改進前與改進后的定位結果。測試結果如表1所示。

表1 測試結果

從表1可以看出，改進后的算法在室內環境復雜的環境下，比較明顯地提高了定位的精度。本文設計的基于ZigBee的移動機器人定位系統，創新性地采用了基于RSSI原理的優化定位算法。經過大量數據仿真試驗驗證，采用該算法在復雜室內環境下的定位誤差大多在1 m以內，符合機器人定位的要求。經過系統擴展，將參考節點布滿整個樓宇，可實現現有的單房間到整個樓宇內的不切換網絡定位。

5 結束語

本文研究了一種基于RSSI的室內移動機器人定位優化算法。采用跨平臺的Qt集成開發環境，設計了人機交互界面，簡單、直觀地顯示了移動機器人在室內環境下的實時坐標位置。該研究具備易移植和方便擴展的特性，保留了系統接口，為后續開發帶來了方便。協調節點把信息傳送到ARM中，進行處理后通過無線網卡以WiFi的形式傳送到到上位機中。該研究把協調節點放置在移動機器人上。其優點在于移動機器人在移動過程中自由靈活組網，避免了空間過大需要更換網絡的不便。經過驗證，借助將參考節點提高水平的位置，并結合改進后的定位算法測距精度更高，對移動機器人的定位更加精確，符合復雜實驗室內的定位要求，在對低功耗、低成本和高精度需求的遮擋空間中有著廣闊的應用前景。