基于無線傳感網絡的車間自動引導車通信信息定位方法

朱洪杰，方 允

（1.廣州工商學院工學院，廣州 510850；2.廣東工業大學，廣州 510006）

0 引言

車間自動引導車是一種不需要人工駕駛，而是由計算機對其實施行駛路線控制，進而完成車間運輸工作的車間運輸設備[1]。它以自動化運輸的方式代替傳統人工運輸方式，不僅能夠有效提升車間貨物運輸效率，還能夠有效降低企業的人力資源成本。但這一切要以合理的運輸路線規劃為前提，而獲取準確的車間引導車位置又是有效規劃引導車運輸路線的關鍵[2,3]。

近年來，國內外諸多學者對車間自動引導車通信信息定位方法進行了大量研究，成績頗為顯著。比較受歡迎的有胡悅等人基于因子圖對車間引導車通信信息定位方法的研究[4]、公緒超等人基于區域判別與信息反傳對車間引導車通信信息定位方法的研究[5]。二者均可實現車間自動引導車通信信息定位，但是，受其通信技術的局限性，當車間存在大量自動引導車、噪聲干擾較大時，對車間自動引導車車間通信信息定位的實時性與準確性較低，因此無法更加快速準確地為車間自動引導車規劃合理行駛路線，長此以往勢必會造成車間運輸工作效率的降低。

無線傳感網絡無需連線便可實現通信信息傳輸，由于其不需要連接任何電氣設備，因而對無線傳感網絡的管理以及養護只需在傳感網絡自身區域范圍內完成即可，不受其他設備的干擾，在通信信息傳輸工作中既保證了信息傳輸的實時高效性，也保證了通信信息傳輸的準確性。為此，本文提出基于無線傳感網絡的車間自動引導車通信信息定位方法，可高效準確完成車間自動引導車通信信息定位，更好滿足實際工作需要。

1 車間自動引導車通信信息定位

在進行車間自動引導車通信信息定位時，通常情況下會在車間自動引導車活動范圍內布置多個傳感節點，從而構成用于車間自動引導車通信信息定位使用的無線傳感網絡[6,7]。為避免節點休眠影響通信信息傳輸的實時性與通信信息傳輸速率，基于休眠輪詢機制對無線傳感網絡進行優化。利用優化后無線傳感網絡完成車間自動引導車通信信息傳輸。無線傳感網絡的傳感節點通常狀況下有兩種類型，一種是信標節點，另一種則是未知節點。信標節點上通常會布置一些能夠獲知坐標位置的設備，因而，通常狀況下信標節點的坐標位置是已知的。已知信標節點的坐標位置，利用一些有效的定位算法便可獲得未知節點的坐標位置信息。

為此，可在自動引導車上布置一個傳感器節點，將自動引導車視為所搭建傳感網絡中的未知節點，通過對信標節點與自動引導車上布置的未知節點執行有效的信息傳輸操作，再使用有效的車輛定位算法，便可實現車間自動引導車通信信息的準確定位。三邊質心定位算法在進行定位過程中，只需獲知三個信標節點的位置信息，便可求取未知節點的坐標信息[8]。因而，本文采用三邊質心定位算法進行車間自動引導車通信信息定位。

1.1 基于休眠輪詢機制的無線傳感網絡優化

在進行車間自動引導車通信信息定位時，無線傳感網路作為通信信息傳輸的主要途徑，其通信信息傳輸性能的優劣是影響車間引導車通信信息定位效果的關鍵因素[9,10]。通常狀況下，在無線傳感網絡中，傳感節點在一定控制周期實施相關的車間自動引導車定位信息采集以及匯聚操作后，會在一段時間內處于休眠狀態，等到下一控制周期才會再次實施車間自動引導車定位信息的采集以及匯聚操作。這樣不僅會增加能量消耗，還降低通信信息傳輸的實時性與通信信息傳輸速率，還會間接導致車間引導車定位實時性與效率的降低。因此，本文根據區域覆蓋均衡理論，引入休眠輪詢機制，按如下節點休眠輪詢優化規則進行無線傳感網絡性能優化。

1）在無線傳感覆蓋區域1×1矩陣范圍內，對傳感節點i實施坐標位置確定操作，根據確定的坐標位置對節點進行相關掃描操作，可求得與i緊鄰的節點坐標與此時節點的狀態信息，用j代表相鄰節點，用公式對其進行合理的定義操作：

其中，與i相鄰的節點位置坐標用Locali代表；節點啟動抑或休眠用Nodei代表；用于實現車間自動引導車通信信息定位的傳感網絡中所有傳感節點所組成的集合用ω代表；用i代表當下傳感節點，則其傳輸半徑的最大值用U代表，i、j間的拓撲距離用U(i,j)代表，若i、j具有一樣的網絡制式，則有Ui-Uj=0。

2）按照無線傳感節點規則，對所有的相鄰節點完成感應工作后，當前傳感節點需分辨在所有相鄰傳感節點中，存在能替代自己完成車間自動引導車通信信息采集以及傳輸等操作的節點與否。若存在一個這樣的相鄰節點，則使該點按照圖1所示流程，利用Re_Call分組方式對當下傳感節點下達通知，對其執行休眠轉換操作。若沒有發現能替代自己完成車間自動引導車通信信息采集以及傳輸等操作的節點，則將再次在下個周期實施相鄰傳感節點感知操作。

圖1 相鄰節點互感流程

需要指出的是，在實施相鄰節點狀態感知操作時，需結合當前傳感網路傳感節點的覆蓋情況對任務取代實施合理判斷操作。通常狀況下，傳感節點覆蓋范圍內包含的相鄰節點數量多于2時，方能轉入休眠狀態。

1.2 基于三邊質心算法的車間自動引導車定位

1.2.1 信標節點選擇

傳感網路中的信標節點會存在若干個，選擇不同的信標節點進行車間自動引導車定位，對定位的結果會產生不同程度的影響。比如，若所選信標節點與未知節點間具有良好的通信性能，那么，將該信標節點應用到車間自動引導車通信信息定位的過程中，必然也會收獲更為精確的車間自動引導車通信信息定位結果[11]。因而，是否能夠挑選出合適的信標節點參與到車間自動引導車通信信息定位工作尤為重要。對信標節點的選擇可遵循以下原則：

1）挑選與車間自動引導車之間距離值較小的信標節點進行車間自動引導車通信信息定位。為了能夠快速挑選出用于車間自動引導車通信信息定位的信標節點，可以設定一個比較合理的距離閾值，在這個距離閾值范圍內完成車間自動引導車通信信息定位信標節點的選擇。未知節點與各個信標節點間的距離計算可通過RSSI算法的距離測量原理來實現[12]。

在RSSI算法中，想要實現信標節點與未知節點間的距離計算首先需要構建衰減模型。

用公式可將Free-Space模型表示為：

其中，信道的衰減、測試點到信源之間的距離分別用Loss與d代表；信號的頻率用f代表；衰減因子用k代表。

在實際的RSSI測距工作中，Free-Space模型所描述的情形過于理想，其存在是不現實的[13]，但是，在進行RSSI距離計算時，Free-Space模型確是很好的參照標準。

用公式將Log-distance Distribution模型表示為：

其中，距離為d的接收節點上的信號衰減用PL(d)代表；均值是0的高斯白噪聲用Rσ代表，通常情況下Rσ滿足4＜Rσ＜10；d0代表近地距離；PL(d0)代表經過距離d0后所有可能路徑的平均消耗。

用公式將信號衰減值的求解過程表示為：

其中，接收信號強度用RSSI代表。

通過上式求解出PL(d)后，對PL(d)執行向式(4)的代入操作，若讓d0=1，對其執行向式(3)的代入操作，可獲取PL(d0)的值，再次執行PL(d0)向式(4)的代入操作，可獲得想要求解的距離值。

2）選擇與未知節點具有良好通信性能的節點作為用于車間自動引導車通信信息定位的信標節點。

當要進行車間自動引導車通信定位時，布置于引導車上的未知節點會向信標節點執行若干次的BLAST包發送操作，信標節點按照發送過來的BLAST包，實施RSSI計算操作，并將獲得的值向未知節點發送。若信標節點能夠獲得BLAST包的最高次數為N,當信標節點獲得的BLAST包次數與N的差值最小時，視該信標節點與未知節點具有良好的通信性能。

1.2.2 三邊質心測量定位法原理

用A、B與C分別代表在布置在車間自動引導車活動區域的無線傳感網路中選中的信標節點，用Q代表未知節點的坐標，即車間自動引導車位置坐標。將用于車間自動引導車定位的A、B與C、Q四個節點的坐標分別表示為(xa,ya)、(xb,yb)、(xc,yc)與(x,y)，信標節點A、B、C與Q間的距離用da、db與dc代表。將A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)視為圓心，同時將da、db與dc視為半徑，實施做圓操作，理想狀況下的結果如圖2所示。

圖2 三邊定位算法理想狀況

對車間自動引導車的定位，可通過求解Q點的坐標位置實現。根據A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)以及da、db與dc有：

其中，從A、B與C至Q的距離分別用da、db與dc代表。

通過式(6)可獲得自動車間自動引導車在其活動區域的定位信息，但是，在實際的車間自動引導車通信信息定位工作中，這種理想狀態存在的概率極低[14,15]，將A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)視為圓心，da、db與dc視為半徑，實施做圓操作獲得的圓未必會相交于一點，具體如圖3所示。

圖3 三角質心算法

圖3中，將A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)視為圓心，da、db與dc視為半徑，實施做圓操作后，獲得的圓的交點用D、E、F代表，將D、E、F視為三角形頂點，構建三角形ΔDEF，該三角形的質心坐標即可被視為對Q執行估計操作獲得的坐標位置。

用(xd,yd)、(xe,ye)與(xf,yf)分別代表點D、E、F的坐標值，通過求解式(7)可獲得D、E、F的坐標位置。

根據式(7)獲得D、E、F的坐標值，可實現對點Q坐標的求解，Q點的橫縱坐標可通過下式進行求解。

2 實驗與分析

以某大型紡織廠紡織車間的自動引導車為實驗對象，采用本文方法對其進行車間自動引導車通信信息定位，驗證其在車間自動引導車通信信息定位方面的優勢。

表1是應用本文方法進行車間自動引導車通信信息定位獲得的車間自動引導車通信信息定位結果。其中1號自動引導車的定位結果如圖4所示。

表1 車間自動引導車通信信息定位結果

圖4 1號自動引導車的定位結果

從表1可以看出，應用本文方法可實現車間自動引導車通信信息定位，并且定位坐標位置與實際坐標位置基本一致，準確性較高，由圖4舉例定位結果可以看出，本文方法能夠清晰獲取車間自動引導車的在車間中的具體位置，更好滿足實際工作需要。

在選擇信標節點時，對未知節點到信標節點距離測量的準確性，決定了是否能夠獲取合適的信標節點，用于車間自動引導車定位。圖5是在三組實驗中，應用RSSI算法對不同信標節點到未知節點距離進行計算獲得的測距結果。

圖5 RSSI測距結果

分析圖5可知，三組實驗中應用RSSI算法對不同信標節點到未知節點距離進行計算獲得的距離曲線與實際距離曲線幾乎完全重合。說明：利用RSSI算法獲得的未知節點與信標節點之間的距離值準確性較高，將其應用于車間自動引導車通信信息定位工作中，可收獲較好的車間自動引導車定位效果。

圖6統計的是該廠用于貨物運輸的4輛編號不同的車間自動引導車，分別應用本文方法、文獻[4]基于因子圖的車間引導車通信信息定位方法、文獻[5]基于區域判別與信息反傳的車間引導車通信信息定位方法完成車間自動引導車通信信息定位后每小時的貨物運輸量。

圖6 不同方法貨物運輸量

圖6中，應用本文方法對車間自動引導車進行通信信息定位后4輛編號不同的車間自動引導車每小時的貨物運輸量均要高于使用其他兩種方法對車間自動引導車進行通信信息定位后的貨物運輸量。究其主要原因是采用本文方法對車間自動引導車進行通信信息定位后，定位的效率以及準確性都得到了提高，這使得對車間自動引導車運輸路線的規劃效率也相應地得到提升，車間引導車在相同的時間內可以完成更多的貨物運輸任務。

車間是完成貨物生產與運輸的場地，因而，不同于其他環境，會有不同程度的噪聲存在，噪聲的存在可能會對車間引導車通信息定位的準確性產生不利影響。因此，為驗證本文方法在車間自動引導車通信信息定位方面的優勢，繪制在不同信噪比環境下，應用本文方法進行車間自動引導車通信信息定位時產生的誤差對比圖如圖7所示。

圖7 不同噪聲環境定位誤差

根據圖7顯示，應用本文方法對車間自動引導車進行車通信信息定位時，在不同信噪比環境下獲得的定位誤差均較低，三條誤差曲線大部分均接近重合。實驗證明：即使在運輸環境比較復雜的情況下，應用本文方法對車間自動引導車進行通信信息定位時產生的誤差值也非常低，這再一次驗證了本文方法的正確性與準確性。

在進行車間自動引導車通信信息定位時，會相應地產生不同程度的能量消耗，而產生的能量消耗多來自于用于通信信息的傳輸過程。為驗證應用本文方法對車間自動引導車進行通信信息定位時，在能量消耗方面的優勢，繪制引入休眠輪詢機制前后無線傳感網絡在不同傳輸數據量下的能量消耗對比圖如8所示。

引入輪詢機制前后，在傳輸數據量低于150個時，所消耗能量并無很大差別，但是當傳輸數據量超過150個時，引入輪詢機制后，數據傳輸時所消耗的能量明顯要低于未引入輪詢機制時所消耗的能量：在對車間引導車進行停車區域狀態信息傳輸時，在采集數據量較大情況下，本文方法在能量消耗方面更具優勢。同時，在圖8中還可以看出，引入輪詢機制后，輪詢周期設置在10s以下以及10s以上時，所消耗的能量要高于輪詢周期設置為10s時很多，因而，在本文中，將輪詢周期設置為10s，對自動引導車停車區域狀態信息進行傳輸，可以以更低的能量消耗完成車間自動引導車通信信息定位。

圖8 能量消耗對比圖

繪制引入輪詢機制前后使用無線傳感網絡對用于車間自動引導車定位的通信信息進行傳輸時，獲得的傳輸效果對比圖如圖9所示。

圖9 通信信息傳輸效果對比圖

在信號干擾較小的情況下，即信噪比大于50dB時，引入輪詢機制前后對用于車間自動引導車定位的通信信息進行傳輸時獲得數據傳輸曲線基本完全重合；在信號干擾較大的情況下，即信噪比低于50dB時，引入輪詢機制后獲得的數據傳輸曲線只是產生一些非常不明顯的波動，而未引入輪詢機制時獲得的數據傳輸曲線波動非常明顯。結果表明：在信號干擾較大情況下，本文方法在通信信息傳輸方面更具優勢。

3 結語

應用本文方法可實現車間自動引導車定位，并且定位效果較好。其在車間自動引導車定位方面的優勢主要表現為：

1）在噪聲干擾較大情況下，應用本文方法仍然可以對車間自動引導車進行準確定位，定位后，自動引導車運輸路線規劃的效率得到顯著提升，自動引導車可更快完成運輸任務。

2）在應用本文方法進行車間自動引導車定位時，只需消耗較少的能量與時間便可完成車間自動引導車定位，可更好滿足實際工作需要。