论无线传感器网络与机器人定位技术

论无线传感器网络与机器人定位技术

葛文爽

葛文爽/广东省岭南工商第一技师学院

【摘要】无线传感器网络是一种新兴的信息获取和处理技术，它集成了传感器技术、嵌入式计算、低功耗电子技术和无线通信技术。无线传感器网络在国防军事、环境监测、空间探索、医疗卫生、精细农业、交通管理、反恐抗灾等领域具有广阔的应用前景。文中将无线传感器网络节点定位技术与机器人技术有机结合，实现机器人实时定位。无线传感器网络节点由于受到功耗、成本、体积等因素的限制，对无线传感器网络节点定位技术提出了新的要求和挑战。本论文就面向机器人定位的无线传感器网络节点硬件平台设计展开深入探讨和研究。主要工作包括以下几个部分：第一章分析无线传感器网络节点定位技术发展现状，给出无线传感器网络定位技术与机器人定位技术相结合的意义，描述课题发展前景和论文研究主要工作；第二章对无线传感器网络进行需求分析，确定设计方案；第三章就无线传感器网络硬件平台设计进行了阐述；第四章给出测试方法与工具，进行功能模块调试；最后对本设计加以总结，并给出了进一步研究与设计的建议，以实现系统进一步优化。

【关键词】无线传感器网络；节点；硬件设计；定位

无线传感器网络是一种新兴的信息获取和处理技术，它集成了传感器技术、嵌入式计算、低功耗电子技术和无线通信技术。无线传感器网络在国防军事、环境监测、空间探索、医疗卫生、精细农业、交通管理、反恐抗灾等领域具有广阔的应用前景，是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息采集和环境感知的一场革命，被认为是21世纪最重要的技术之一，将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。美国很早就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。无线传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在抢险救灾，搜索救援、飞行机器人导航、路径规划、跟踪运动物体、环境监测、交通管理、医疗卫生等领域，拥有巨大的应用价值。我国《信息产业科技发展“十一五”计划和2020年中长期规划(纲要)》中将“智能信息处理和物与物通信网络技术”确定为网络与通信领域11个主要技术领域之一，并将之确定为我国需要重点突破的核心技术，其发展目标包括“重视RFID、传感器网络等物与物通信网络技术的研发，形成自主知识产权的核心技术和产品，打造完善的产业链，推广RFID、传感器网络技术在全社会的应用，形成一大批有示范效应的应用范例，为无处不在、人与物共享的网络应用奠定基础”。

传感与控制的结合是系统自动化的核心，是实现闭环控制和智能控制的基础。机器人就是一种典型的传感与控制系统，而且机器人作为载体，在实际生产生活中有着广泛的应用。无线传感器网络与机器人的结合，不仅能极大地提高系统的布置柔性和覆盖面，而且也会提高系统的反应能力，因此两者的完美结合将成就数字信息智能化的生活，成为未来智能网络系统的先锋。无线传感器网络与机器人的结合，还给出了一种新的分布式传感与控制的形式，这种形式既具有集中的局域传感和控制能力，又具有远程的分布式协同的全局传感和协作控制能力。

从AT&TLaboratoriesCambridge于1992年开发出室内定位系统ActiveBadge至今，研究者们一直致力于开发能够自定位的系统和算法。传感器节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限制，低功耗是其最主要的设计目标。而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某些场合可能根本无法实现，因此必须针对其密集性且节点的计算、存储和通信等能力都有限的特定条件，设计有效的低功耗定位算法。

为使无线传感器网络节点的定位不依赖于外部设备，早期曾提出了一些集中式的定位算法，如ActiveOffice，在办公室天花板上有规则地摆放一些接收器节点，再在每个被测物体上固定一个无线电发送器，通过控制单元向这些接收器节点发送轮询信号，从而获知各被测物体与节点间的距离范围信息，再由这些信息来估算它们的位置。这里要求节点必须规则地摆放，并且对各收发器的全体轮询这些条件都很大程度地限制了这种方法的可应用性。

接下来又有人提出了采用参考节点的方法，即在无线传感器网络中布置一定数量的己知其自身位置的节点，作为其它位置未知节点用来计算自身位置的参考。这种方法在较高的信标节点通信区域重叠率(或者与此等同的，较高的信标节点密度)的情况下，能够获得较好的位置估算精度。但这里必须存在大量信标节点的要求又限制了它的应用范围。

研究者们针对不同的环境要求等提出各种各样的解决方案，其中比较有代表性的现有定位系统有RADAR、Cricket、AHLos等。

微软的RADAR系统是基于IEEE802.11无线网络技术的一种室内定位系统。它提供了场景分析和三边测量两种实现方式。

Cricket系统是麻省理工学院在2000年开发的最早的信标节点随机撒布在建筑物内的系统。它是Oxygen项目的一部分，用来确定移动或静止节点在大楼内的具体房间位置。该定位系统利用射频信号与超声波信号到达时间间隔和各自的传播速度，计算出未知位置节点到已知位置节点的距离。然后通过比较到各个临近信标节点的距离，选择出离自己最近的信标节点，从该信标节点广播的信息中取得自身的位置。

AHLos系统是一个迭代的定位算法。具体定位过程为：未知节点首先利用TDOA方法测量与其邻居节点的距离；当未知节点的邻居节点中信标节点的数量大于或等于三个时，就利用极大似然估计方法计算自身位置，随后该节点转变成新的信标节点，称为转化信标节点，并将自身的位置广播给邻居节点;随着系统中转化信标节点数量不断增加，对于原来邻居节点中信标节点数量少于三个的未知节点，将逐渐拥有足够的邻居信标节点，就能够利用极大似然估计方法计算自身的位置。这个过程一直重复到所有节点都计算出自身的位置。

目前国内对基于WSN的定位技术研究还不多，史龙等人在综合分析大量无线传感器网络定位算法的技术文献和最新研究结果的基础上，从测距技术和算法两方面阐述了定位机制的局限性，着重论述和比较了现有的六种定位算法，指出无线传感器网络自身定位问题的研究方向。孙学斌等人提出了一种无线传感器网中的目标定位算法，用以获取在无线传感器网络监视下的地理区域中移动目标的位置。该算法首先找到一个曾监测到目标的节点，然后利用相邻节点间的本地消息跟踪目标的运动轨迹。王永才等人介绍了在无线传感器网络系统中，应用TDOA测距技术和基于几何关系的节点自身定位算法，并在Mica2系统上实现了该算法。刘刚等人介绍了利用声波测距的无线传感器网络定位算法的实现策略，对具体实现机制进行了分析并给出相关结论。杨强等人提出一种适用于大规模无线传感器网络的通用三阶段分布式定位结构体系。

目前，研究人员更多的是把研究重点放在Adhoc式无线传感器网络定位算法的研究上，提出了大量针对WSN的分布式、低功耗定位算法，如质心算法、Amorphous算法、SPA相对定位算法、DV-Hop算法、DV-distance算法、Euclidean算法、DV-Bering算法、DV-Radial算法、凸规划定位算法、APIT算法、MDS-MA卫算法等，这些算法在相对的条件下很多都能在某些方面(如定位精度、信标节点密度等)达到一定的效果，但真正的应用还很少，而且一般条件限制都是很严格的。

从对上述WSN定位研究成果的比较发现，没有一种定位方案能在有效减少通信开销、降低功耗、节省网络带宽的同时获得较高的定位精度。因此，该领域还有待更多的人提出更好的方法，以求更好地解决定位问题。以使得无线传感器网络能够真正在实际生活中得到广泛的应用。

无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。20世纪60年代越南战争期间，美国曾经使用的“热带树”传感器系统是无线传感器网络在军事上应用的一个典型成功例子，后来又被引用到枪声定位反恐装备系统，至今已经在农田参数检测、矿井安全救灾、智能交通系统中已经得到广泛应用。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网络最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

【参考文献】

[1]史龙,王福豹等.无线传感器网络Range-Free自身定位机制与算法[J].计算机工程与应用,2004,40(23):127-130,151.

[2]孙学斌,周正.无线传感器网中目标定位算法的研究[J].计算机工程与应用,2004,40(3):132-134,184.

[3]王永才,赵千川等.传感器网络自身定位方法的设计与实现明.计算机工程与应用,2005,41(13):4-6,23.

[4]刘刚,周兴社等.传感器网络节点的测距与定位[J].微计算机信息,2007,23(13):189-190，195.

[5]杨强,王中杰.大规模无线传感器网络定位算法研究[J].传感器与微系统,2007,26(2):33-36.

[6]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航天航空大学出版社,2006.

[7]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[8]尔桂花,窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2002.