隨著人工智能、通信技術、網絡技術和電子元器件等領域快速發(fā)展,基于相關領域的技術成果研發(fā)并具有提供豐富智能教育服務的教育機器人成為了教育信息技術領域熱點研究課題。教育機器人在許多應用情景中,需要進行自身的位置發(fā)現或對目標物體位置的定位才能為服務對象提供智能教育服務。當教育機器人在室外時,可以利用全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GNSS)為其提供相關的定位服務。但是,關于教育機器人的室內定位目前還沒有成熟的解決方案。由于無線信號受到建筑物、室內物體,人為活動和信號干擾等不利因素影響,基于教育機器人的室內定位研究已經成為了一個難題。許多的科研院所、高校、企業(yè)等都投入了資源研究室內定位,以及在教育機器人上的應用。面向教育機器人的室內定位需要在復雜的室內環(huán)境中實現,以便教育機器人能夠提供各種智能服務。單一的室內定位技術已經不能很好地滿足這樣的服務需求,選用多種定位技術進行融合定位教育機器人就很有必要。隨著WiFi的應用普及,使用教育機器人的室內環(huán)境中大多有WiFi信號。另一方面,由于物聯網的廣泛應用,RFID技術也得到了推廣。在兼顧成本、適應性及應用推廣的前提下,本研究結合WiFi和RFID技術,提出了一種有效的面向教育機器人室內無線指紋融合定位的解決方案;為了能夠對室內活動的教育機器人進行更好的定位,本文提出了一種有效的異構無線網絡空間布局方案,通過粗細指紋結合,融合WiFi和RFID無線指紋定位技術;本文提出了基于RSS能勢場導航路由決策定位算法,實現了教育機器人在室內多場景中基于定位服務的應用。本文主要創(chuàng)新點及貢獻如下:(1)在無線網絡空間布局設計中,本文提出了異構無線網絡布局思路,在WiFi網絡覆蓋的大區(qū)域,利用三角形結構布局無線接入點(AP);在RFID網絡覆蓋的小區(qū)域,提出了利用多種多邊形組合而成的結構布局電子標簽(Tag)方案。地面標簽布局采取了多粒度指紋結合的布局方式,根據不同定位精度需要可調整指紋粒度間隔。(2)在不同區(qū)域獲取的數據可能會受到各種干擾因素影響,導致信號特征發(fā)生變化,因而采集RSS的數據不能直接用于教育機器人的定位,本文提出了一種有效的數據均值疊加平滑處理方法,首先對每一個采樣點的獨立AP進行RSS均值疊加并進行平滑處理,在每一個采樣點上獲取相對優(yōu)化的RSS均值;其次在其他AP覆蓋區(qū)域的每個采樣點上對RSS信號進行均值平滑處理,在不同定位區(qū)域對不同AP的RSS信號進行疊加再均值平滑處理,獲取在不同區(qū)域的RSS數據分布特征;最后根據不同AP的RSS均值數據進行聯合定位。(3)基于電子標簽布局的導航定位研究,本文提出了基于RSS能勢場導航路由決策定位算法,通過算法實現了教育機器人自主導航到指定的服務位置。(4)本論文研究的室內定位方法成功應用于本團隊研發(fā)的三款教育機器人,是構成它們自主避障、測距和路徑規(guī)劃的能力的關鍵技術。
【學位單位】：華中師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP242;G40-057
【部分圖文】：

若等效平均速度在傳播路徑上與傳播速度ｃ相等，則有Ｃ?＝?Ｃａｖ。??設定有三個ＡＰ布局在室內環(huán)境中，作為無線信號發(fā)射設備，有一臺教育機器人（Ｅｒｏｂ）作??為待測目標，如圖２．１所示。信號傳輸中若采用視距（ＬＯＳ）傳播方式，信號傳播距離＜就決??定了從無線路由器（ｄ／ｐ到移動終端（Ｅｒｏｂ）的距離。在二維場景下，當兩個圓相交，可能會??產生兩個交點，但是不能確定目標物體是在哪一個交點上，若利用３個無線路由器進行距離測??定，則會解決位置歧義解的問題，也就是三點交匯處就是移動終端（Ｅｒｏｂ）所在的位置。??（％》??贏?（Ｔ－．－Ｔ，）??ＡＰ３?？？■？？？？－????＾，＝ｃ？－ｒ￡）?＝?￡ｉ?，?■??／?／??４??嚴＼￣＾??圖２．１二維情況中ＴＯＡ定位原理??若在三維情況下，需要在多個無路由器（ＡＭ到移動終端（Ｅｒｏｂ）的距離測量，就需要建??立７Ｖ個非線性方程組，設定移動終端（Ｅｒｏｂ）所在的位置坐標為（Ｘ，少，Ｚ），則有??＋｛ｙ－ｙｉ）＂?＋（２－ｚ

＊?ＡＰ２??圖２．２由反射引起的無偏誤差??＼?Ｖ?／??ＡＰ３??４?＝?＜：（７＊２?－巧）??、＼?Ｖ／??ｄ．－ｄ，?＝ｃ（７；－７ｔＫ?ｄ＇??、、纖?ｄ．－ｄ＾ｃａｖ－ｒｏ??、、、？…??ＡＰ７?ｄ＼??／?Ｉ?Ｍ??ＡＰＩ??圖２．３二維情景中的ＴＤＯＡ原理圖??在圖２．３中，兩個雙曲線的交點（實線）提供了終端設備（Ｅｒｏｂ）的唯一位置，另外一個雙??曲線（虛線）由名－?＜?＝⑷一彳）一⑷－＜）＝ｅＡ：Ｔ２」－ＣＡ７；」進行定義，于是有如下；Ｖ?－１個??線性方程組??ｙ］（ｘ－ｘ２ｙ?＾（ｙ－ｙ２Ｙ?＋（＾－＾２）２?－＞／（義一ｘｉ）‘?＋?（ｙ—?少ｉ廣?＋?（ｚ—?召疒＝＾２￣＾＼?＝ｃ＾２．＼??ｙＪ（ｘ－Ｘ３Ｙ?＋（ｙ－ｙ３Ｙ?－ｈ（ｚ－ｚ３ｙ?－?ｙｊｉｘ－Ｘ＾ｙ?－＾（ｙ－?）＼?Ｙ?＋（ｚ－?２，?）＊■?＝?－ｄ］?＝ｃＡＴＸ］?（２?７）??ｙ］（ｘ－ｘＮＹ?＋（ｙ－ｙＮＹ?＋（ｚ－ｚＫｙ?一－ｘ，）＊■?＋?（ｙ－＾）＇?＋?（ｚ－?ｚ，）＊?＝ｄＮ－ｄ］?＝ｃＡＴＮ］??１９??

?‘??圖２．４二維情況下的ＲＴＴＯＡ原理圖??由圖２．４知道，ＲＴＴＯＡ測量是由Ｅｒｏｂ在時間７；上啟動，并根據Ｅｒｏｂ的時間尺度７＾ｒｏＡ上??進行測量，在７；時刻上，電磁波信號被ＡＰ所接收。設定Ｅｒｏｂ時間尺度與ＡＰ的時間尺度??７：＃不同，并具有恒定差值Ａ／，即７；＃?—；Ｔ＆（）Ａ＝Ａ？，則Ｅｒｏｂ與ＡＰ信號傳播距離為??４?２?＝?ｃ［（７Ｊ?＋?Ａ／）?－?％］?（２．８）??７；?＋表示相對于時間尺度的時間為７；，在相對于ＡＰ時間尺度的時間索引７；處，??另一個信號從ＡＰ發(fā)送回五。在時間點７；上，信號被Ｅｒｏｂ所接收，則傳播距離為??ｊ?＝?—?（Ｔ－，?＋?Ａ／）ｊ?（２．９）??若兩次電磁波信號傳輸的幾何形狀不變，且信道具有互易性，則有，可得??ｄ?＝?ｄ２，?＝?ｄｉ?２?＝?＝Ｌｃ（Ｔｒ?＿Ｔｐ）?（２．１０）??由２．１０式可以看出
【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 張光明;;Compass納入GNSS運行可行性探討[J];全球定位系統(tǒng);2009年02期

2 馬笑瀟,黎昱,黃席樾,朱雷,賀黛芳;基于顯著特征的指紋自動定位與匹配算法[J];計算機工程與應用;2002年07期

相關博士學位論文 前1條

1 張明華;基于WLAN的室內定位技術研究[D];上海交通大學;2009年

相關碩士學位論文 前1條

1 王青;WiFi室內定位系統(tǒng)的設計與實現[D];北京交通大學;2014年

本文編號：2885835