智能巡检机器人控制系统及其WiFi定位的应用研究

摘要

智能巡检机器人是移动机器人中服务面较广的一类重要机器人，这种机器人因为工作环境的差异，巡检机器人的设计种类样式及其功能各有千秋。本论文的研究目的是研制一款能够长期稳定运行的室内型智能巡检机器人。研究的课题来源于与盛安贝新能源有限公司的校企合作项目智能巡检机器人，研究方向侧重于智能巡检机器人在工作空间中室内定位。因此，本设计的主要研究内容包括以下几个方面。　　根据巡检机器人的设计要求和其独特的机械架构，从嵌入式系统的软硬件、WiFi通信、各类传感器、电机驱动模块和双视云台这5个方面进行论述，对智能巡检机器人运动控制系统的各个模块进行了选型。提出了一种用于智能巡检机器人的WiFi室内定位系统的设计方案。该方案是在一般的WiFi定位算法基础上，与K最近邻居法(KNN法)相结合。在空间内设置固定的坐标点，实现对定位参考锚点的就近读取，使所读取的RSSI信号强度处于高精度区间，从而提高定位的准确性。　　接着，对该方案分成两阶段，进行仿真实验和硬件实现验证。第一阶段是对基于卡尔曼滤波RSSI信号优化的测距算法设计与实现。在这一部分中，对于ESP8266无线通信模块，获取了三组不同被测距离的RSSI信号强度值，将滤波模型代入matlab中，设置变量进行仿真，得到信号强度值在滤波前后的仿真图形。仿真结果表明，卡尔曼滤波对RSSI信号的优化有显著的效果。然后将滤波后的信号强度与被测距离的数量关系进行拟合。最后将matlab程序转换为MDK5程序，使嵌入式系统能够实现测距功能。第二阶段是对WiFi室内定位系统的设计与实现。将三边定位算法提升到三维层面并在matlab中进行仿真。首先在只有三个参考锚点的单一定位单元内对其可靠性进行仿真，然后对实际的实验环境建模，进行多参考锚点多定位单元的算法可靠性验证。仿真结果为定位算法误差小、可靠。最后将测距和定位算法整合，并转换为MDK5程序，在模型车板载，并将普通WiFi定位方式和与KNN法相结合的定位方式进行效果比对。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1课题提出背景

1.2课题研究目的

1.3国内外智能巡检机器人的研究现状

1.3.1 国内智能巡检机器人的研究现状

1.3.2 国外智能巡检机器人的研究现状

1.4本课题主要研究内容

2 控制系统总体设计

2.1 引言

2.2智能巡检机器人结构模型设计

2.2.1 行走结构底盘模型设计

2.2.2 外壳模型设计

2.3智能巡检机器人运动控制模块硬件设计

2.3.1 嵌入式主控制器模块设计

2.3.2 电机选型与电机驱动模块选型

2.3.3 传感器模块选型

2.3.4 通信模块选型

2.3.4 双视云台选型

2.4运动控制系统及循迹系统的软件设计

2.5 本章小结

3 基于WiFi的室内定位系统的设计方案

3.1 引言

3.2室内定位系统的概念与分类

3.2.1 位置信息的概念

3.2.2 室内定位系统的分类

3.2.3 WiFi室内定位系统

3.3算法设计原理

3.4WIFI室内定位系统的方案设计

3.4.1 各组成部分设置说明

3.4.2 锚点网络布置

3.5 本章小结

4 基于RSSI滤波优化的测距算法

4.1 引言

4.2常用的RSSI滤波方法

(一) 中位值滤波

(二) Dixon检验滤波

(三) 高斯滤波

4.3算法设计原理

(一) 卡尔曼滤波器

(二) RSSI值与被测距离转换

4.4基于RSSI滤波优化算法的设计与仿真

4.4.1 RSSI数据获取

4.4.2 卡尔曼滤波器的设计与仿真

4.4.3 算法实现

4.5测距算法设计与实现

4.6 本章小结

5 基于WiFi的室内定位算法

5.1 引言

5.1WIFI三边室内定位原理

5.2.1 定位方程组特定条件的解

5.2.2 良态数学和良态方程组问题

5.3WIFI室内定位系统的仿真与实现

5.3.1 WiFi室内定位系统的建模与仿真

5.3.2 下位机定位主程序设计

5.4巡检机器人模型各项功能的实现与验证

5.4.1 机器人基础功能的实现与验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

附录

作者简历

致谢

学位论文数据集