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专利号: 2018111948472
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2023-12-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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;

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的Moore-Penrose广义逆矩阵;

保存输入层与隐藏层节点的连接权重矩阵wi、隐藏层神经元偏置bi和输出权重估计即可完成对RPCA-ELM模型的训练;

在线定位阶段,移动机器人接收来自WiFi网络设备的指纹信号,将其输入到构建好的ELM模型中,即可输出移动机器人位置估计,具体过程如下:实时采集移动机器人接收到的来自N个WiFi网络设备的信号强度矢量ro,将ro输入到已训练好的RPCA-ELM模型中,得移动机器人的坐标估计其中,ro=(ro,1,ro,2,...,ro,N)。