基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，该系统包括移动机器人控制平台和上位机，其中通过移动机器人控制平台可以实现数据采集以及移动机器人实时定位时的数据交互，而上位机安装的定位软件，则可以对采集到的WiFi信号强度的数据使用RPCA‑ELM算法进行处理，实现移动机器人的室内定位，其定位速度、精度和稳定性较高且不需要其它传感器的辅助，大大降低了开发成本，具有很高的可移植性，另外，系统安装简便，维护方便，可长时间运作，还可以通过上位机来控制移动机器人的运动。

【技术实现步骤摘要】
基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统
本专利技术涉及一种基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统。
技术介绍
目前，全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)技术在大多数室外环境下已经可以实现精确的定位，同时在交通、测绘、军事等领域得到了广泛的应用。然而，由于GPS卫星信号无法穿透建筑，卫星定位导航技术无法满足人们对室内定位的需求。为了解决室内特殊环境的定位问题，必须研究相对应的室内定位技术。与已成熟的室外GPS技术相比，室内定位技术还处于起步阶段。然而，室内定位技术具有很大的应用前景，主要应用领域包括室内导航、位置服务、监控以及智能室内空间等。近年来，国内外大学及科研机构对室内定位技术展开了深入的研究，提出UWB、红外射频、Zigbee、蓝牙等室内定位技术。然而，上述室内定位技术均需要安装额外的基础设施。基于WiFi的室内定位由于只利用室内环境中普遍存在的网络基础设施和移动终端，且能实时地提供较精确的室内位置信息，因此得到了广泛关注。按照定位原理划分，基于WiFi的室内定位技术可以分成两大类：基于传播模型(model-based)的定位和基于指纹(fingerprint-based)的定位。根据测量方式不同，WiFi室内定位技术可以分成基于测距(range-based)和无需测距(range-free)两大类。其中，基于传播模型的定位方法虽然实现简单，也无需依靠专业设备就能计算出距离，但是由于传播模型无法全面准确的描述室内环境，导致定位精度不高。在基于测距的定位技术中，根据获取节点间距离或角度等特征参数的方式不同可分为：基于信号到达时间(TimeofArrival，TOA)的定位，基于信号到达时间差(TimeDifferenceonArrival，TDOA)的定位，基于信号到达角度(AngleofArrival，AOA)的定位和基于接收信号强度(ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI)的定位。由于TOA、TDOA、AOA这几种方法要求有专门的设备，在实现室内WiFi定位时还需要添加额外设备，投入成本比较大，一般多应用于室外卫星定位系统中。无需测距的定位技术分为两大类：基于匹配的定位和基于通信跳数的定位。基于匹配的定位首先对监测区域内的参考位置进行采样，建立位置与特征参数数据库，进行节点定位时，将测量到的特征参数与数据库进行对比，获得当前目标节点的信息。基于通信跳数的定位则是通过计算目标节点与信标节点间的最小跳数及跳段距离进行定位估计，DV-Hop算法被公认为其中的最经典算法，目前大多数研究集中在如何改进DV-Hop算法。其改进主要包括三个方面：改进节点拓扑结构、改进跳段间距离计算方法和一些混合改进方法。移动机器人能减少人对危险环境和危害性任务的直接参与，在军事侦察、反恐、防爆、防核化及污染等领域有着广阔的应用前景。如果将室内定位系统在移动机器人进行应用的话，就需要一个频率高、移植性好的设备。而且不仅要对无线信号进行采集，还要可以控制机器人的移动。目前，国内外许多研究工作中将同步定位与地图构建(SLAM)运用在机器人的自主导航和定位中。其中运用了视觉、激光、里程计等大量的传感器做辅助，目的是实现在陌生的环境中定位和构建地图。这样做的优点是可以在未知环境中定位，并且通过各种传感器的协同运作使得定位精度比较高，然而使用单目视觉SLAM虽然简单，价格低，却可靠性差。使用双目视觉SLAM虽然解决了单目的缺点，但是，整个系统的成本很高，设计非常复杂，受到一定的距离限制，由于需要的计算量庞大，很难做到实时定位，灵活性不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，以便在室内环境中已有的网络基础设施条件下，为移动机器人实时地提供较精确的室内位置信息。本专利技术为了实现上述目的，采用如下技术方案：基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，包括：位于室内的移动机器人控制平台以及上位机；其中：移动机器人控制平台与上位机通过在室内多个WiFi网络设备之间组建的无线网络通信；移动机器人控制平台，被配置为用于实时采集室内各个WiFi网络设备的WiFi信号强度的数据，并将采集的数据通过无线网卡发送至上位机；上位机，被配置为用于接收移动机器人控制平台发送的数据，并利用定位软件对接收到的数据进行处理，实时显示移动机器人在室内的位置，同时控制移动机器人的移动。优选地，定位软件中的定位算法采用基于指纹的室内定位算法。优选地，定位软件是基于QT编译环境开发的。优选地，定位软件具有用于显示室内场地、移动机器人实时位置坐标、移动机器人运行信息、WiFi信号强度的数据以及采集信息的上位机监控界面。优选地，移动机器人控制平台包括主控单元、电机控制板和电机驱动板；其中：主控单元配置有用于向上位机发送WiFi信号强度的数据的无线网卡；主控单元、电机控制板以及电机驱动板依次连接，共同控制移动机器人的运动。优选地，移动机器人控制平台包括向主控单元、电机控制板和电机驱动板供电的电池。优选地，主控单元采用CORTEX-A8系列开发板gec210。优选地，电机控制板采用STM32F103ZET6开发板。优选地，电机驱动板采用L298N电机驱动板。优选地，利用所述定位软件对移动机器人进行室内定位的过程如下：设定室内WiFi网络设备的数量为N个；在离线/训练阶段，采集参考点处WiFi信号强度及其对应的位置信息，大量的数据形成训练数据集，先用RPCA把训练数据X进行处理，分出数据集里的有效数据A和稀疏噪声矩阵E，把稀疏噪声矩阵E去掉，保留有效数据；RPCA实际上是求松弛的凸优化问题：其中，||A||*表示矩阵A的核范数；λ是正加权参数；||E||1表示矩阵E的绝对值之和；下面是求解A和E的过程，为了求解这个优化问题，使用增广拉格郎日乘子方法：首先给上述公式加上惩罚项：其中，μ是一个正标量，||X-A-E||F是X-A-E的Frobenius范数；构造增广拉格朗日函数：其中，Y是拉格朗日乘子，初始化需要用到的参数；<Y,X-A-E>表示Y和X-A-E的内积；初始化Y,μ0＞0,k＝0；μ0是μ初始时刻的值，k是定义的循环初始值；采用交替方向法求解：其中，Ak+1是低秩矩阵A的第k+1项，Ek+1是稀疏噪声矩阵E的第k+1项，Yk是Y的第k项，μk是μ的第k项，分别为X的第1/μk、λ/μk项；是指使得函数L()取得其最小值的所有自变量A的集合；是指使得函数L()取得其最小值的所有自变量E的集合；然后分别将有效数据A的后N列强度信号数据作为训练输入，前两列坐标数据作为位置坐标输出，构建ELM模型为在线定位做准备；离线训练过程如下：有效数据A的后N列ri＝(ri,1,ri,2,...,ri,N)及其对应的空间位置前两列fL＝{l1,l2,...,lM}作为训练输入和目标输出，i＝1,2,...,M，隐藏层节点数为h(x)为激活函数，随机产生输入层与隐藏层间的连接权重wi和隐藏层神经元偏置bi；则该网络可由如下数学模型表示：该公式为RPCA-ELM模型公式，用矩阵形式表示为：Hβ＝L；其中，求解方程得到输出权重估计其中，为H本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，包括位于室内的移动机器人控制平台以及上位机；其中：移动机器人控制平台与上位机通过在室内多个WiFi网络设备之间组建的无线网络通信；移动机器人控制平台，被配置为用于实时采集室内各个WiFi网络设备的WiFi信号强度的数据，并将采集的数据通过无线网卡发送至上位机；上位机，被配置为用于接收移动机器人控制平台发送的数据，并利用定位软件对接收到的数据进行处理，实时显示移动机器人在室内的位置，同时控制移动机器人的移动。

【技术特征摘要】
1.基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，包括位于室内的移动机器人控制平台以及上位机；其中：移动机器人控制平台与上位机通过在室内多个WiFi网络设备之间组建的无线网络通信；移动机器人控制平台，被配置为用于实时采集室内各个WiFi网络设备的WiFi信号强度的数据，并将采集的数据通过无线网卡发送至上位机；上位机，被配置为用于接收移动机器人控制平台发送的数据，并利用定位软件对接收到的数据进行处理，实时显示移动机器人在室内的位置，同时控制移动机器人的移动。2.根据权利要求1所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述定位软件中的定位算法采用基于指纹的室内定位算法。3.根据权利要求1所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述定位软件是基于QT编译环境开发的。4.根据权利要求3所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述定位软件具有用于显示室内场地、移动机器人实时位置坐标、移动机器人运行信息、WiFi信号强度的数据以及采集信息的上位机监控界面。5.根据权利要求1所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述移动机器人控制平台包括主控单元、电机控制板和电机驱动板；其中：主控单元配置有用于向上位机发送WiFi信号强度的数据的无线网卡；主控单元、电机控制板以及电机驱动板依次连接，共同控制移动机器人的运动。6.根据权利要求1所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述移动机器人控制平台包括用于向主控单元、电机控制板和电机驱动板供电的电池。7.根据权利要求5所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述主控单元采用CORTEX-A8系列开发板gec210。8.根据权利要求5所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述电机控制板采用STM32F103ZET6开发板。9.根据权利要求5所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，所述电机驱动板采用L298N电机驱动板。10.根据权利要求1所述的基于WiFi网络信号的移动机器人室内定位系统，其特征在于，利用所述定位软件对移动机器人进行室内定位的过程如下：设定室内WiFi网络设备的数量为N个；在离线/训练阶段，采集参考点...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玮，刘庆德，李俊良，王海霞，卢晓，李玉霞，盛春阳，张治国，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37