无线传感器网络中移动机器人的路径规划算法研究与仿真实验
摘 要无线传感器节点在当今社会各行各业中使用日益广泛频繁，在人们日常生活的各个领域都具有非常重要的地位，然后大量的节点使用也带来了相应的问题，其中一个重要问题就是对于已经组网的无线传感器网络中节点的定位。尤其是在传感器节点分布广泛的户外领域，研究人员不可能在工程初期就将所有节点的位置都固定好，同时由于户外环境的复杂性，节点有可能岁时间的变化而改变自己所在的位置。所以，如何快速，准确的对研究场所的所有传感器节点进行定位就成了一个亟待解决的问题。在无线传感器网络的定位领域中，使用移动信标（移动锚节点）是一个常用的定位方法，针对需求，本文设计实现了小型传感器网络中目标节点的不同路径定位，比较了随机路径，单行扫描路径，环形路径在实际应用中的表现，经过分析论证后，给出合理的建议，对无线传感器网络中基于移动机器人的路径规划算法提出指导性建议。在节点实际定位阶段，本文介绍了一种基于距离的定位思路，由于GAINSJ可以实时的计算出目标节点与移动信标之间的链路质量指标，通过目标节点与移动信标之间的链路质量指示可以换算移动锚节点接收的信号强度，再利用信道建模（包括经验和理论两种）便可以计算出相应的待测节点的具体位置，从而实现对目标节点的定位。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 1
第一章 绪论 2
1.1 问题的提出及研究意义 2
1.2国内外研究现状 3
1.3论文内容与结构安排 4
第二章 核心技术算法介绍 6
2.1无线传感器网络简介 6
2.1.1红外（IrDA）技术 6
2.1.2 Zigbee技术 7
2.2.3 IEEE 802.15.4简介 8
2.3 实验涉及路径规划算法介绍 9
2.2.1 扫描 10
2.2.2 双倍扫描 11
2.2.3 希尔伯特曲线 12
2.2.4 环形 12
第三章 系统硬件介绍 14
3.1 IOTZBJ物联网实验开发套件 14
3.2 移动机器人系统 14
3.3.1循迹单元方案选择 14
3.3.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
模块系统分析 15
3.3.3 LM393芯片介绍 16
3.3.4 红外对管寻迹 17
第四章 系统软件介绍 18
4.1 iSnamp系统 18
4.2智能小车代码设计思想 19
第五章 实验流程和结果分析 21
5.1 无线传感器节点实验准备 21
5.1.1实验核心思想 21
5.1.2实验设备 21
5.1.3 节点实验准备工作 21
5.1.4 节点准备步骤 22
5.2 移动机器人实验准备 25
5.2.1 小车接线说明 25
5.2.2 移动机器人黑白线循迹调试 25
5.3 整体操作流程 26
5.4结果分析 27
第六章 总结与展望 29
6.1 工作总结 29
6.2 对今后工作的展望 29
参考文献 31
致 谢 34
附录：中英文文献翻译 35
第一章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
随着无线传感器网络应用的飞速发展，定位一直是众多研究学者们所关心的一个热门方向。技术的飞速发展和无线传感器的使用日趋频繁，使得对目标节点的定位日益重要。对于许多现在已经发展的应用任务比如说医疗保健监控，个人和财产跟踪，应急回复救援等，定位无线传感器网络中的无线设备是一个很重要同时也具有挑战性的任务，在这些任务中要求快速，准确的定位估计出位置信息。我们假设场景中的所有节点是基于ZIGBEE网络组网，通过一个移动信标和部分已知位置信息的节点来定位出目标节点的位置。这个移动信标就是我们说的移动机器人，通过控制移动机器人的运动来代替实体人的运动，可以大大减小对户外野生探索时的意外安全情况，同时通过精确地操作，可以增加定位的效率和准确性。在我们的实际操作中，我们专注于基于信标的定位算法，即存在一个已知位置的移动锚节点。一般来说，定位算法可以大约划分为基于距离的定位算法和距离无关的定位算法[1]。基于距离的定位算法需要用到一些实际信息，比如说节点间点到点的距离或者角度信息，收到信号强度和到达时差等来衡量节点之间的距离，使用三边测量法，三角测量法，或极大似然估计来计算节点的位置[2]：距离无关的定位算法不知道距离和角度信息，使用节点之间链路的交换路由信息，仅仅根据网络的连通性等信息实现定位，这种方法在成本，功耗等方面具有很大的优势。本文介绍的工作重点是基于距离的位置估计定位思路，通过已有软件可以方便的获取链路质量指标，通过链路质量指标我们就可以计算出信号强度从而获得节点间对应的距离，有了距离我们就可以利用相应的定位算法计算出待测节点的具体位置，本文所采用的定位算法是常见的三边测量定位算法。尽管基于链路质量指标的定位算法精确度有待提高，但这种定位方式仍然具有极大的吸引力。相较于其他定位机制，基于链路质量指标的定位算法的主要好处是成本低，不需要任何额外的硬件设施。
基于锚节点的定位工作中一个主要问题就是：锚节点移动方式的选择即路径规划算法的选择。本文关注的是路径规划算法在独特环境中的使用，即锚节点由移动机器人代替，实际环境场景多应用于户外场所，这就要考虑到移动机器人行走路线的复杂性和实效性，同时能耗也是一个考察的重点即完成所有搜索工作所需的时间。本文的目标是推荐出获得高定位精度和较少移动距离的移动路径，这种路径尽可能的覆盖较大的区域。
1.2国内外研究现状
上文提到过，我们设计的应用场景中包含了三种节点：第一种是移动锚节点（属于全功能设备），第二种是已知位置的相关节点（属于精简功能设备），第三种是我们要定位的目标节点（属于精简功能设备）。在本文中，我们将关注的焦点放在如何寻找移动机器人的最佳路径规划。考虑到实际设备，我们更加倾向于里程碑式路径规划，即移动机器人沿着一些特定的路径进行运动，在路径中设定一系列依据地理位置或者时间来衡量的里程碑位置信息，当移动机器人移动到这些点时就会广播其位置轨迹信息，附近目标节点收到信息后进行反馈，依次来进行定位操作。本文通过一系列实际实验寻找出一个定位精度和覆盖全部场景区域所需时间最少的最优路径。下面将介绍部分当今国内外关于路径规划的研究成果。
Dimitrios Koutsonikolas[3]在2007年发表了研究论文分析了：SCAN，即俗称的扫描轨迹，DOUBLE SCAN，即双倍扫描，Hilbert，即希尔伯特扫描，三种路径的优缺点。最后得出结论：在三种轨迹中，扫描提供了最好的性能，扫描的轨迹具有良好的分辨率和操作性，传感器和轨迹之间的平均距离最小。然而，对于较大的无线传感器网络场景，希尔伯特空间填充曲线要由于扫描，覆盖的范围较大。双倍扫描可以获得最低的定位误差，但增加一倍的扫描操作在实际应用中相当于增加了移动距离成本和时间成本。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 1
第一章 绪论 2
1.1 问题的提出及研究意义 2
1.2国内外研究现状 3
1.3论文内容与结构安排 4
第二章 核心技术算法介绍 6
2.1无线传感器网络简介 6
2.1.1红外（IrDA）技术 6
2.1.2 Zigbee技术 7
2.2.3 IEEE 802.15.4简介 8
2.3 实验涉及路径规划算法介绍 9
2.2.1 扫描 10
2.2.2 双倍扫描 11
2.2.3 希尔伯特曲线 12
2.2.4 环形 12
第三章 系统硬件介绍 14
3.1 IOTZBJ物联网实验开发套件 14
3.2 移动机器人系统 14
3.3.1循迹单元方案选择 14
3.3.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
模块系统分析 15
3.3.3 LM393芯片介绍 16
3.3.4 红外对管寻迹 17
第四章 系统软件介绍 18
4.1 iSnamp系统 18
4.2智能小车代码设计思想 19
第五章 实验流程和结果分析 21
5.1 无线传感器节点实验准备 21
5.1.1实验核心思想 21
5.1.2实验设备 21
5.1.3 节点实验准备工作 21
5.1.4 节点准备步骤 22
5.2 移动机器人实验准备 25
5.2.1 小车接线说明 25
5.2.2 移动机器人黑白线循迹调试 25
5.3 整体操作流程 26
5.4结果分析 27
第六章 总结与展望 29
6.1 工作总结 29
6.2 对今后工作的展望 29
参考文献 31
致 谢 34
附录：中英文文献翻译 35
第一章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
随着无线传感器网络应用的飞速发展，定位一直是众多研究学者们所关心的一个热门方向。技术的飞速发展和无线传感器的使用日趋频繁，使得对目标节点的定位日益重要。对于许多现在已经发展的应用任务比如说医疗保健监控，个人和财产跟踪，应急回复救援等，定位无线传感器网络中的无线设备是一个很重要同时也具有挑战性的任务，在这些任务中要求快速，准确的定位估计出位置信息。我们假设场景中的所有节点是基于ZIGBEE网络组网，通过一个移动信标和部分已知位置信息的节点来定位出目标节点的位置。这个移动信标就是我们说的移动机器人，通过控制移动机器人的运动来代替实体人的运动，可以大大减小对户外野生探索时的意外安全情况，同时通过精确地操作，可以增加定位的效率和准确性。在我们的实际操作中，我们专注于基于信标的定位算法，即存在一个已知位置的移动锚节点。一般来说，定位算法可以大约划分为基于距离的定位算法和距离无关的定位算法[1]。基于距离的定位算法需要用到一些实际信息，比如说节点间点到点的距离或者角度信息，收到信号强度和到达时差等来衡量节点之间的距离，使用三边测量法，三角测量法，或极大似然估计来计算节点的位置[2]：距离无关的定位算法不知道距离和角度信息，使用节点之间链路的交换路由信息，仅仅根据网络的连通性等信息实现定位，这种方法在成本，功耗等方面具有很大的优势。本文介绍的工作重点是基于距离的位置估计定位思路，通过已有软件可以方便的获取链路质量指标，通过链路质量指标我们就可以计算出信号强度从而获得节点间对应的距离，有了距离我们就可以利用相应的定位算法计算出待测节点的具体位置，本文所采用的定位算法是常见的三边测量定位算法。尽管基于链路质量指标的定位算法精确度有待提高，但这种定位方式仍然具有极大的吸引力。相较于其他定位机制，基于链路质量指标的定位算法的主要好处是成本低，不需要任何额外的硬件设施。
基于锚节点的定位工作中一个主要问题就是：锚节点移动方式的选择即路径规划算法的选择。本文关注的是路径规划算法在独特环境中的使用，即锚节点由移动机器人代替，实际环境场景多应用于户外场所，这就要考虑到移动机器人行走路线的复杂性和实效性，同时能耗也是一个考察的重点即完成所有搜索工作所需的时间。本文的目标是推荐出获得高定位精度和较少移动距离的移动路径，这种路径尽可能的覆盖较大的区域。
1.2国内外研究现状
上文提到过，我们设计的应用场景中包含了三种节点：第一种是移动锚节点（属于全功能设备），第二种是已知位置的相关节点（属于精简功能设备），第三种是我们要定位的目标节点（属于精简功能设备）。在本文中，我们将关注的焦点放在如何寻找移动机器人的最佳路径规划。考虑到实际设备，我们更加倾向于里程碑式路径规划，即移动机器人沿着一些特定的路径进行运动，在路径中设定一系列依据地理位置或者时间来衡量的里程碑位置信息，当移动机器人移动到这些点时就会广播其位置轨迹信息，附近目标节点收到信息后进行反馈，依次来进行定位操作。本文通过一系列实际实验寻找出一个定位精度和覆盖全部场景区域所需时间最少的最优路径。下面将介绍部分当今国内外关于路径规划的研究成果。
Dimitrios Koutsonikolas[3]在2007年发表了研究论文分析了：SCAN，即俗称的扫描轨迹，DOUBLE SCAN，即双倍扫描，Hilbert，即希尔伯特扫描，三种路径的优缺点。最后得出结论：在三种轨迹中，扫描提供了最好的性能，扫描的轨迹具有良好的分辨率和操作性，传感器和轨迹之间的平均距离最小。然而，对于较大的无线传感器网络场景，希尔伯特空间填充曲线要由于扫描，覆盖的范围较大。双倍扫描可以获得最低的定位误差，但增加一倍的扫描操作在实际应用中相当于增加了移动距离成本和时间成本。
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