【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于自主移動機器人互定位系統領域，具體為一種復雜環境下多節點互定位方法及系統。
技術介紹
1、隨著工業化進程不斷加快，自主移動機器人(autonomous?mobile?robot，amr)可以在高危、復雜、重復的任務中展現出優良的特性，在物流倉儲，自動化運輸系統乃至戰爭中都具有廣泛的應用前景。將自主移動機器人視為多個移動的節點子系統，如果各個子系統能夠相互分享信息，相互協調配合，就能夠使系統整體獲得更強的功能，多節點間的信息協同也使得相關平臺的工作范圍、工作穩定性大大增加，可以在重要物資運輸、野外大范圍搜救、復雜多變的戰場等具有高時變性、高動態性、高隨機性的環境下出色穩定的完成任務。因此，研究高效的、便于組網的多節點互定位算法具有十分重要的意義。
2、多節點互定位的概念早在20世紀60年代就已經被提出來，早期多節點互定位方法主要采用gnss定位。在惡劣的復雜環境下，如有大量樹木或其他遮擋物時，gnss的導航定位能力就會變得不穩定，并且在室內環境下gnss定位無法工作；也可以通過視覺或激光雷達技術通過掃描周圍物體建立地圖實現定位，此類系統有出色的定位精度，但價格高昂且易受天氣和光線影響、不適合在有煙塵、雨霧的室外或室內環境下使用；使用wifi或藍牙方案在使用rssi定位算法時可滿足較低的定位延遲，易結合多種傳感器數據，但其所能提供的定位精度較差，并且需要額外的系統輔助，在復雜多變的環境下靈活性低；因此采用雷達系統的多節點互定位技術的自主移動機器人不需要額外的系統輔助，通過各個傳感器信息的協同，即可實現本地的
3、目前采用雷達系統的多節點互定位方法主要有，到達角(angle?of?arrival，aoa)定位技術、接收信號強度(received?signal?strength?indication，rssi)定位技術、到達時間(time?of?arrival，toa)定位技術以及到達時間差(time?difference?of?arrival，tdoa)定位技術等。其中aoa定位技術思路簡單、數據量小，但是精度較差；rssi定位方法代價低、所需功率低，但是信號反射、非視距誤差、天線增益等多方面因素都會對該方法產生較大的影響；使用toa或tdoa技術可以實現高精度的定位，但需要已知互定位節點間精確的時鐘偏移，且無法對角度進行測量。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種復雜環境下多節點互定位方法及系統，節點間通過雷達系統，采用線性調頻連續波利用往返飛行時間(rtof)來進行距離和速度的測量并且加入多天線采用波達方向(direction?of?arrival，doa)估計方法進行角度測量，實現多節點間高精度的可靠定位，在復雜的環境下也有良好的工作性能，并且采用雷達系統的節點子系統也具有靈活，可以處理多傳感器數據的優點。
2、實現本專利技術目的的技術方案為：一種復雜環境下多節點互定位方法，每個節點包括發射鏈路、接收鏈路、收發天線、zigbee模塊及信號處理模塊；各節點均可被設置為主節點或從節點，節點間通過發射、接收三角波調頻連續波信號波形實現互定位功能；
3、節點工作在主節點模式時，通過粗同步和精同步步驟與其他從節點的工作信號同步，隨后通過調頻連續波雷達工作原理定位從節點；節點工作在從節點模式時，等待主節點發送的待同步信號，通過粗同步和精同步步驟與主節點的信號同步，再發送同步后的信號到主節點使主節點可以定位從節點位置；定位方法包括如下步驟：
4、步驟s1：在節點網絡中設置一個主節點，其他節點設置為從節點；利用每個節點的zigbee模塊使各節點工作在同一個時間基準下，以實現多節點之間的時間粗同步；
5、步驟s2：粗同步后，主節點發送待同步的信號到從節點，從節點對接收到的信號進行處理，得到節點間的時間和頻率偏移，然后調整從節點的發射信號，使從節點的發射信號與主節點中的本振信號精確同步；
6、步驟s3：精同步后，主節點接收從節點的發射信號，對接收的信號進行處理得到從節點的距離、速度和角度信息以實現對從節點的定位。
7、一種復雜環境下多節點互定位系統，用于實現上述的方法，系統包括多個節點，每個節點包括發射鏈路、接收鏈路、收發天線、zigbee模塊及信號處理模塊；各節點被設置為主節點或從節點，節點間通過發射、接收三角波調頻連續波信號波形實現互定位功能；
8、節點工作在主節點模式時，通過粗同步和精同步步驟與其他從節點的工作信號同步，隨后通過調頻連續波雷達工作原理定位從節點；節點工作在從節點模式時，等待主節點發送的待同步信號，通過粗同步和精同步步驟與主節點的信號同步，再發送同步后的信號到主節點使主節點可以定位從節點位置。
9、一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述程序時實現上述的方法。
10、一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執行時實現上述的方法。
11、一種計算機程序產品，包括計算機程序，該計算機程序被處理器執行時實現上述的方法。
12、本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：各節點都具有接收和發射系統，可以定位其他節點也可以被其他節點定位，該節點間的互定位方法相當于一個二次雷達系統的工作，使得各節點接收到其他節點信號的功率明顯大于其他噪聲功率，可以實現高精度的無線本地定位。各節點都是工作在1ghz至100ghz之間的無線本地定位系統，這個波長區域內，雨霧和煙塵的影響不嚴重，在農業、采礦和廢物管理惡劣的工作環境下也具有良好的工作的效果。
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1.一種復雜環境下多節點互定位方法，其特征在于，每個節點包括發射鏈路、接收鏈路、收發天線、ZigBee模塊及信號處理模塊；各節點均可被設置為主節點或從節點，節點間通過發射、接收三角波調頻連續波信號波形實現互定位功能；
2.根據權利要求1所述的多個節點互定位方法，其特征在于，在粗同步設定節點間的時間基準后，需要對主從節點間的工作信號進行精確同步，從節點接收到主節點的待同步信號后，通過混頻得到中頻信號，對其進行FFT運算和峰值搜索以檢測出上掃頻的中頻信號頻率值f1與下掃頻的中頻信號頻率值f2；兩中頻信號頻率值f1、f2和節點間的時間Δt、頻率偏移Δf的對應關系式為：
3.根據權利要求2所述的多節點互定位方法，其特征在于，定位步驟在精同步之后，主節點將發射模式轉換成接收模式，主節點即可開始定位其他從節點位置；從節點將接收模式轉換為發射模式，從節點此時的工作信號相較于主節點本振信號僅有信號傳播的延時td，因此從節點將同步后的信號發射到主節點，主節即可通過信號處理，利用信號往返飛行時間計算出節點間的距離信息，主節點接收到的同步信號與最初的發射信號具有2td的延時，則
4.根據權利要求3所述的多節點互定位方法，其特征在于，對于具有相對速度的主從節點間的中頻信號頻譜中會帶有多普勒頻移fD，則主節點得到的上掃頻和下掃頻的中頻信號頻率值fup、fdn與RTOF的時間2td的具體關系變為：
5.根據權利要求4所述的多節點互定位方法，其特征在于，對于具有多接收天線的主節點，通過DOA方法測量從節點相對于主節點的角度，主節點通過對得到的信號進行波束形成估計即可得到從節點的具體角度信息；各個節點均能夠工作在主節點模式定位其他節點，或者工作在從節點模式被主節點定位，以實現多節點相互定位。
6.一種復雜環境下多節點互定位系統，其特征在于，用于實現權利要求1～5任一所述的方法，系統包括多個節點，每個節點包括發射鏈路、接收鏈路、收發天線、ZigBee模塊及信號處理模塊；各節點被設置為主節點或從節點，節點間通過發射、接收三角波調頻連續波信號波形實現互定位功能；
7.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述程序時實現如權利要求1-5中任一所述的方法的步驟。
8.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，其特征在于，該程序被處理器執行時實現如權利要求1-5中任一所述的方法的步驟。
9.一種計算機程序產品，包括計算機程序，其特征在于，該計算機程序被處理器執行時實現權利要求1-5中任一所述方法的步驟。
...【技術特征摘要】
1.一種復雜環境下多節點互定位方法，其特征在于，每個節點包括發射鏈路、接收鏈路、收發天線、zigbee模塊及信號處理模塊；各節點均可被設置為主節點或從節點，節點間通過發射、接收三角波調頻連續波信號波形實現互定位功能；
2.根據權利要求1所述的多個節點互定位方法，其特征在于，在粗同步設定節點間的時間基準后，需要對主從節點間的工作信號進行精確同步，從節點接收到主節點的待同步信號后，通過混頻得到中頻信號，對其進行fft運算和峰值搜索以檢測出上掃頻的中頻信號頻率值f1與下掃頻的中頻信號頻率值f2；兩中頻信號頻率值f1、f2和節點間的時間δt、頻率偏移δf的對應關系式為：
3.根據權利要求2所述的多節點互定位方法，其特征在于，定位步驟在精同步之后，主節點將發射模式轉換成接收模式，主節點即可開始定位其他從節點位置；從節點將接收模式轉換為發射模式，從節點此時的工作信號相較于主節點本振信號僅有信號傳播的延時td，因此從節點將同步后的信號發射到主節點，主節即可通過信號處理，利用信號往返飛行時間計算出節點間的距離信息，主節點接收到的同步信號與最初的發射信號具有2td的延時，則主節點對得到的中頻信號做fft運算和峰值搜索以檢測出上掃頻和下掃頻的中頻信號頻率值fup、fdn與rtof的時間2td的具體關系為：
4.根據權利要求3所述的多節點互定位方法，其特征在于，對于...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳禮，李佳瑋，葉珊珊，榮英佼，周勇軍，肖澤龍，胡泰洋，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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