基于无线传感网的隧道巡检机器人定位方法研究

摘要

利用轨道机器人对城市电缆隧道进行巡检具有低成本，高效率，高安全系数等优点，这种巡检方式将成为未来隧道电缆巡检的趋势。机器人对电力电缆的巡检主要是通过多种传感器对电缆设备的运行工况和运行环境进行巡视。当异常状况发生时，机器人需要对异常点的位置进行标定，由技术人员根据标定点的位置对相关设备进行维护。因此，对隧道内巡检机器人进行精确的定位具有重要的意义。 本文旨在研究机器人在隧道环境下进行巡检时，如何利用无线传感网络节点定位技术对隧道内的机器人进行实时的定位。通过对隧道这一特殊的应用背景进行分析，并结合已有的定位技术和算法，提出了更为精确合理的定位方法。 本文对隧道内定位方法的设计和改进方案主要包括选择合适的测距技术、采用合理的坐标计算方法、规划定位系统的总体布局以及设计定位节点的工作流程四个部分。在基于RSSI测距技术和极大似然估计算法的基础上，结合真实的实验数据，本文对隧道内无线电信号的衰减模型进行了校正;针对无线电信号强度受随机干扰影响较大的客观现象，本文提出了基于极大似然估计法的限幅滤波方法;在完成模型校正后通过真实的实验验证了模型的准确性和滤波算法的有效性;通过对zigbee通信技术的研究，规划了无线传感网络节点在隧道定位系统中的布置方式，并设计了承担各类角色的节点在实现定位信息采集过程中的工作流程;通过对协议栈Z-stack的研究和学习，结合各个功能节点的具体工作流程，完成了网关节点、参考节点以及随动节点的程序设计，同时本文通过应用Matlab GUI图形界面编程工具，完成了定位系统上位机软件的界面设计。最后通过对比已有的定位系统的定位性能，证明了该系统具有更高的定位精度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 研究课题的目的及意义

1．3 国内外针对地下空间定位的应用和研究现状

1．4 论文的组织结构

第2章 基于无线传感网络的定位技术

2．1 无线传感网络及其定位技术

2．2 定位算法分类

2．2．1 基于距离相关和距离无关的定位算法

2．2．2 分布式定位算法和集中式定位算法

2．2．3 相对定位和绝对定位

2．3 基于距离无关的定位算法

2．3．1 质心算法

2．3．2 DV-HOP算法

2．4 基于测距的定位算法

2．4．1 TOA (Time of Arrival)

2．4．2 TDOA (Time Difference on Arrival)

2．4．3 AOA (Angel of Arrival)

2．4．4 RSSI定位算法

2．5 坐标的计算

2．5．1 三边定位法

2．5．2 多边极大似然估计法

2．6 本章小结

第3章 基于模型校正的RSSI隧道定位方法

3．1 基于多边极大似然估计的限幅滤波

3．2 模型参数的校正

3．2．1 节点布置及环境参数Pd0的确定

3．2．2 参数η校正

3．3 模型精度的验证

3．4 本章小结

第4章 基于ZigBee技术的隧道巡检机器人定位系统设计及实现

4．1 ZigBee通信技术

4．1．1 ZigBee协议栈的体系结构

4．1．2 节点分类及功能

4．2 定位系统总体布局设计及其硬件平台

4．3 基于ZigBee技术的软件平台

4．3．1 协议栈的运行机制

4．3．2 网络的建立

4．3．3 设备加入网络

4．3．4 ZigBee设备的寻址

4．4 定位系统的实现

4．4．1 定位数据的获取

4．4．2 定位工作流程

4．4．3 网关节点程序设计

4．4．4 随动节点程序设计

4．4．5 参考节点程序设计

4．4．6 上位机程序设计

4．5 定位系统的性能分析

4．6 本章小结

第5章 总结及展望

5．1 本文主要研究工作与贡献

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢