基于移动机器人的无线信号源定位

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基于移动机器人的无线信号源定位

日期：2015-11-08    来源：学位管理与研究生教育处（省政府学位委员会办公室）
      成果简介：
      基于移动机器人的特定信号源定位是指在基于ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）控制下的单个移动机器人对特定信号源的检测并定位。应用背景为在地震、火灾等相对极端条件情况下，由于未知环境具有一定的危险性等限制，使得搜寻人员无法正常进行搜索某些能够发射无线信号的重要物件时，可采用此系统，在远端操控机器人，利用摄像头获取机器人观测到的环境景象，并构建未知环境地图，最终通过感知无线信号来定位能够辐射或发射特定频率信号的物件，从而达到代替人工寻找并定位此物件的目的。

      成果内容提要：
      利用搭载激光、摄像头的三轮全向式移动底盘搭建机器人硬件平台，将ROS（Robot Operating System）作为机器人探测、定位信号源的软件平台，运用机器人SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，地图创建与同时定位）技术进行机器人在未知环境中的地位和环境创建，并在机器人上加载摄像头，回传机器人在未知环境中的景象。在信号源的选择上，由于UWB不必使用载波信号进行调制，而是使用纳秒级的窄脉冲来直接传递信号，因此其频谱范围非常宽，可以在信噪比非常低的状态下工作而且UWB具有极高的时间分辨率和良好的抗多径能力，因此采用UWB作为未知环境中的信号源，提高信号源检测的成功率以及定位的准确性。
      在远端控制机器人移动过程中，将机器人移动过程中四个停驻点确定为节点，并获取机器人在地图中的相对位置，同时利用UWB信号接收器获取机器人停驻点与信号源之间的相对距离，根据反向运用三角定位法原理，计算信号源在地图中的位置。在数据可视化方面，利用ROS中的RVIZ工具，将构建的未知环境地图，机器人实时位置，摄像头数据以及信号源在地图中的位置呈现给操作人员，便于操作人员直观地感知信号源在未知环境中的具体情况。
      理想情况下可以利用三角定位法计算出信号源的坐标，但是在测算过程中由于受到各种干扰的影响，因此测量信号源与机器人之间的距离存在一定的误差，简单地利用三角定位方法无法获得信号源位置的解析解。为此，考虑建立优化的目标函数，使得计算得到的信号源位置与三个基站之间的距离最符合测量数据。但在实验过程中，由于无线信号易受干扰，采用三个基站时计算得到的信号源位置误差较大。为了增加定位精度与准确性，经过多次测算及实验后,对距离信号源最近的目标函数误差项进行加权，并在目标函数中增加了冗余项，实现对目标函数的优化，有效提高了定位精度，进一步提高了定位算法的鲁棒性。
      通过以上步骤反复计算信号源坐标，并不断在远端控制机器人逼近信号源，最终实现对信号源的准确定位，完成定位任务。通过对信号源进行实验测量，在0.5m-1.5m内UWB测距精度较高，因此当测得机器人距离信号源0.5m-1.5m时认为已经获得信号源的精确位置，至此，完成信号源定位任务。
      该项成果可以应用于地震、火灾等危险场所中重要物件的准确搜索。事先将信号源植入重要物件，当发生意外事故时，可以操作机器人进入危险环境，构建环境地图，实时回传环境图像，并标识重要物件在地图中的位置，从而在避免人员伤亡的前提下，将未知环境和重要物件的具体情况提供给决策人员，达到情报侦查的目的。