硕士学位论文开题报告及论文工作计划书学 号 ： 1301061姓 名 ： 杨 冯导 师 ： 汪晋宽学 科 类 别 ： 工学 全日制专业学位学科 /工程领域： 通信与信息系统所 属 学 院 ： 信息科学与工程学院研 究 方 向 ： 无线传感器网络拟 选 题 目 ： 基于传感器/执行器网络的室内服务机器人定位技术研究选 题 时 间 ： 年 月 日东北大学研究生院年 月 日填表说明1、本表应在导师指导下如实填写。2、学生在开题答辩前一周，将该材料交到所在学院、研究所。3、按有关规定，没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。4、全文正文均用小四号宋体，单倍行距，段前段后间距为 0，如果页数不够，可以整页扩页，其他格式要求参见东北大学硕、博士学位论文格式 。一、前期工作基础（本节可以整页扩页）课程学习及选题开题阶段，在导师指导下从事研究工作总结（不少于 2000 字）第一阶段，在导师的指导下，阅读了相关的一些国内外文献，大致了解导师的研究的方向，并对无线传感器网络以及传感器/执行器网络有了初步的了解，知道了无线传感器网络的基本概念、基本特征和应用领域。并了解掌握实验室的一些硬件设备的基本应用。完成了老师布置的一些基本任务。第二阶段，在对无线传感器网络有了足够了解的基础上，明确自己感兴趣的方向，通过周会的的方式与师兄、老师交流，初步确定为基于传感器/执行器网络的室内服务机器人定位技术研究。大量阅读近五年来的一些国内外文献，其中以英文文献为主，对传感器/执行器网络有了进一步了解，并对室内定位的一些方法进行了归纳总结。选定应用 ZigBee 技术来实现室内定位。第三阶段，学习比较了室内定位的各种算法模型，定位算法分为基于测距的和基于非测距的，其中基于测距的由 TOA、TDOA、AOA、RSSI，基于非测距的算法较多，例如质心算法、DV-HOP 算法、APIT 算法等。进一步了解 ZigBee 技术的优缺点。在老师的要求下，翻译综述性质的英文文献一篇，并根据前期文献的积累完成综述一篇。开题阶段的工作总结如下：在老师指导下，明确了 WSN 定位机制、传感器/执行器网络的基本知识以及基于距离相关的几种定位算法以及常用的几种坐标计算方法。（1）无线传感器网络定位机制WSN节点定位问题可表述为：依据有限的已知位置的节点来确定覆盖区中其它节点的位置，在传感器节点之间建立起一定的空间关系。根据节点是否已知自身的位置，传感器节点可分为信标节点(beacon node)和未知节点(unknown node)。信标节点也可称为锚节点(anchor node)，它通过携带 GPS定位设备或者人工部署等手段等获得自身的精确位置，在网络节点中所占的比例很小。除了信标节点外，其他的传感器节点就是未知节点，它们通过信标节点来确定自身位置。将上述无线定位系统定位三个步骤作一定的推广，WSN 定位机制一般可用以下三个步骤来表示:第一步，度量位置关系，即节点之间位置关系的原始数据的获取过程。常用的位置度量方式是基于距离(range-based)的定位，它包括基于到达时间（ Time of Arrival, TOA）的定位、基于到达时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)的定位、基于到达角度(Angle of Arrival, AOA)的定位、基于接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator, RSSI)四种定位方式，WSN中还常使用与距离无关的定位算法（range-free ），它包括质心算法、距离向量-跳段（Distance Vector-Hop, DV-Hop）、APIT算法等。第二步，初始位置估计，即为对所获得的原始数据的处理过程，以获得未知节点位置估计值。最常用计算节点位置的方法有：三边测量法、三角测量法以及极大似然估计法。此外，随着传感器定位技术研究的深入，很多数据处理技术，例如流行学习算法也越来越多地被引用到传感器节点位置信息的处理中。第三步，对估计值进行优化，得到更为精确的位置信息。（2）测距模型1）基于TOA(Time of Arrival)的定位：根据已知信号的传播速度和信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有基本的定位算法计算出节点的位置，该方法定位精度高，但要求节点间保持精确的时钟同步，对传感器节点的功耗和硬件都提出较高的要求。2）基于TDOA(Time Difference of Arrival)的定位：发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接受节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。通常使用无线射频信号和超声波信号。发射节点同时发出两种信号(如图1)，若射频信号传播速度为 ，超声波信1v号传播速度为 ，接收节点收到两信号的时间差为 。则计算得出两节点间距2v t。12dt图1 TDOA测距3）基于AOA (Angle of Arrival)的定位：接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出节点的位置。在陆地无线传感器网络中该方法用的不多，因为此方法要求节点装配有特殊硬件（方向天线），以此来获取信号的方位。然而如果整个网络节点数目众多，在每个节点上都装配方向天线，不仅成本高，能耗大，而且计算复杂度也高。因此陆地很少使用这种方法。4）基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的定位：已知发射节点信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术硬件要求低、算法相对简单，在实验室环境中表现出良好特性。接收信号强度RSSI理论值表示为：* MERGEFORMAT (1)(10lg)RSIndA式中各变量的意义为： 信号衰减因子（与障碍物、周围环境等精密相关）；n 距离目标 米处的信号接收强度；dd 距离发射节点为1m处接收信号强度RSSI的绝对值。A而在实际室内定位系统中，我们引入一个环境影响参数 到经典对数距离衰减模型中，发射端 接收端无线信号超声波脉冲T1T2距离BD的值依赖于室内环境，被用来补偿室内环境影响产生的误差，所以RSSI的值表示为：* MERGEFORMAT (2)(10lg)RSIndA由式（1）或（2）可以看出信号的衰减与距离成对数衰减的关系。A 和n的值反应了实际环境中影响RSSI测距的综合因素，决定了接收信号强度RSSI 和信号传输距离d之间的参数关系。（3）坐标计算方法1）三边测量法已知A、B、C 三个节点的坐标分别为 ，以及它们到未知节点D 的,abcxyxy距离 、 、 ，假设节点 D的坐标为 ,那么存在以下公式：arbc ()* MERGEFORMAT (3)2222()()()()aabbccxyr图 2 三边测量法由式（3）可得 D 的坐标为* MERGEFORMAT 1222(-)(-)-2acacacacab bbbxyxyry(4)三边测量法的缺点：距离值在实际测距过程中存在误差，上述三个圆无法交于一点，将存在误差的 321,d值去求解上述方程时便无法得到正确解。AC(,)aAxy(,)bBxy(,)cCxy,D12(,)oOxy2)三角测量法图 3 三角测量法已知未知节点 D 的坐标为 , 参考节点 A、B 、C 三个节点的坐标分别为xy。对节点 A、C 和 ，如果弧段 AC 在 内，那么能够唯一,abcxyxy、 、 DV确定一个圆，设圆心为 ，半径为 ， ，由几何知识可得：11(,)oO1r1O* MERGEFORMAT (5)22111222()()cosaoaoccaaxyr由式（5）可以确定圆心 点的坐标和半径 的值。同理，可以分别求出信标节点1O1rA，B 和 B， C 相对应的圆心 、 的坐标及半径 、 的值。最后用三边测量法求出未知2323节点 D 的坐标。3）最小二乘法由于实际情况下三边定位法三个圆不能交于同一点，这就需要用最小二乘法来来分析，其基本原理是寻找一个使实测距离与理论估计距离之差最小的点作为未知节点的坐标。当使用最小二乘法定位的时候，信标节点个数往往大于 3 个，示意图下下图 4 所示 P4P3DP2P1P5图 4 最小二乘法已知1，,n节点的坐标分别为 123(,),(,)xyxy (,)n，它们到节点D 的距离分别为 ,d, n,假设节点D的坐标为 ,。存在下式的数学关系：* MERGEFORMAT (6)221122()().()()nnxyd一般将前 个方程分别减去最后一个方程，化为以下线性方程（7）求解：1n* MERGEFORMAT (7)AXB相减后可得：* 2221111122222-1-1-1-1-1(-)(-)-.()()nnnnnnnnnxyxydMERGEFORMAT (8)则：， , 112()().nnxyA222111.nnnxydB xXy使用标准的最小方差估计方法可以得到节点D的坐标为：* MERGEFORMAT (9)1()TXA此方法在测距存在一定误差的情况下仍能达到相当高的定位精度，然而其缺点在于需要进行较多的浮点运算，其计算开销带来的能量消耗仍不容忽视。二、选题依据（本节可以整页扩页）课题背景、选题依据、课题研究目的、理论意义和应用价值（工学硕士）/工程背景和实用价值（专业学位硕士） （不少于 1000 字）（1） 课题背景、选题依据和课题研究的目的目前，全世界的人口总数中，超过 60 岁的老年人总数已经达到了 6 亿。全球范围内已经有 60 多个国家进入了老龄化社会。随着全球老龄化的加速，老年人口日益呈高龄化、空巢化的趋势。需要照料的失能、半失能老人数量剧增。但是年轻人异地的工作，父母与子女异地居住，使得这些老人得不到很好的照顾，这时，集康复、护老、助老、做家务、娱乐等多项功能于一体的家庭服务机器人在社会生活中的作用显得越来越重要。机器人的应用研究首先是关键技术的研究，包含移动定位、人机交互和多任务规划与作业等，而移动定位技术研究是关键基础技术之一，也是机器人的基本环节。室内是老年人活动的主要场所，所以进行室内定位具有很大的意义。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）被誉为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被传送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器/执行器网络衍生于无线传感器网络，并继承了无线传感器网络体积小、功耗低、自组织等特点。它是新一代无线网络，其中服务机器人是网络中的执行器。在室内老年人监护、环境监测、军事等领域有着广泛的应用。移动节点（服务机器人）定位是新一代无线传感器/执行器网络的关键技术。将传感器/执行器网络用于室内服务机器人定位有重大意义。目前基于传感器网络的定位技术是研究的主流技术，传感器网络的无线通信方式采用的主要有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi 和红外等技术。ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术