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基于ZigBee的机器人定位导航分析.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Wireless sensor networks are the current international concerns, composed of a high degree of cross-multidisciplinary study on the forefront of the emerging hot spots. Wireless sensor networks integrated sensor technology, wireless communications and computer technology, with ination collection, transmission and processing capacity. Low-cost, low power consumption, simple application of the birth of the ZigBee protocol for wireless sensor networks and a large quantity of micro-control based on the application of international standards for interoperability, but also for these applications and the development of relevant industries to provide a powerful opportunity. Presently, there is research mainly based on the application of ZigBee technology, but company which fully released the external protocol stack of the manufacturers was very small. For the needs of development, TI announced its ZigBee protocol stack Z-Stack on April 2007, and domestic users really appreciate the development with low-cost. Based on the ZigBee network Text focused on the robot s positioning navigation s. First we introduce ZigBee technology, the basic structure and network topology and then choose for this type of network. Then we compare the current robot navigation positioning way; make the choice of the design of the system to magnetoresistive sensor as robot navigation and RSSI Receive Signal Strength Indicator as the robot s positioning means. And in accordance with the actual needs of different parts of the system design, there given the functional part of the implementation process. Combined with the principle, the paper set up a system of software and system software design process. Finally, some experiments are carried out for the entire system. First we test the stability of the system on the part of the communications system. Then we test the robot navigation with magnetoresistive sensor, will focus on analyzing the interference and achieve accuracy. Finally, a experiment is going to uate the whole system. Keywords ZigBee; Z-Stack; magnetoresistive sensor; RSSI; robot 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘要 .................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II 第 1 章 绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的背景和意义 ...................................................................................... 1 1.2 无线传感器网络发展现状 .................................................................................. 2 1.3 ZigBee 技术概述 ................................................................................................... 4 1.4 几种短距离无线通信技术比较 .......................................................................... 5 1.5 本课题研究内容 ................................................................................................... 8 第 2 章 ZigBee 协议结构分析及网络类型 ................................................................ 10 2.1 ZigBee 协议结构 ................................................................................................. 10 2.1.1 IEEE802.15.4 物理层规范 .......................................................................... 11 2.1.2 IEEE802.15.4 MAC 规范 ............................................................................ 12 2.1.3 网络层规范 .................................................................................................. 12 2.1.4 应用层规范 .................................................................................................. 14 2.2 ZigBee 网络设备构成 ......................................................................................... 15 2.2.1 设备分类及其功能 ..................................................................................... 15 2.2.2 地址分配模式 .............................................................................................. 16 2.3 ZigBee 网络拓扑 ................................................................................................. 18 2.3.1 星型网络 ...................................................................................................... 18 2.3.2 树型网络 ...................................................................................................... 19 2.3.3 网状网络 ...................................................................................................... 19 2.3.4 机器人定位的网络拓扑选择 ..................................................................... 20 2.4 ZigBee 技术的应用领域 .................................................................................... 21 2.5 本章小结 ............................................................................................................. 21 第 3 章 机器人的定位导航方法分析 ......................................................................... 22 3.1 定位方式介绍 ..................................................................................................... 22 3.2 改进的定位方法 ................................................................................................. 24 3.3 导航方法比较 ..................................................................................................... 26 3.4 本章小结 ............................................................................................................. 27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 第 4 章 机器人系统的硬件设计 ................................................................................. 28 4.1 系统总体设计 ..................................................................................................... 28 4.2 移动机器人机构部分 ........................................................................................ 29 4.3 主芯片外围电路 ................................................................................................. 30 4.4 电源部分设计 ..................................................................................................... 32 4.5 运动控制部分设计 ............................................................................................. 33 4.6 导航控制部分设计 ............................................................................................. 34 4.7 串口通信部分设计 ............................................................................................. 36 4.8 复位和 JTAG 仿真接口设计 ............................................................................ 36 4.9 本章小结 ............................................................................................................. 37 第 5 章 ZigBee 无线网络的实现和软件设计 ............................................................ 38 5.1 引言 ...................................................................................................................... 38 5.2 开发平台介绍 ..................................................................................................... 38 5.3 协议栈的移植 ..................................................................................................... 39 5.4 网络的形成过程 ................................................................................................. 42 5.4.1 协调器建立网络内部初始化过程 ............................................................ 42 5.4.2 节点加入网络过程 ..................................................................................... 44 5.5 磁阻传感器信号采集的软件设计 .................................................................... 47 5.6 系统软件实现 ..................................................................................................... 49 5.7 本章小结 ............................................................................................................. 49 第 6 章 实验与结果分 析 .............................................................................................. 51 6.1 引言 ...................................................................................................................... 51 6.2 串口测试及结果分析 ........................................................................................ 51 6.2.1 实验过程 ...................................................................................................... 51 6.2.2 实验结果分析 .............................................................................................. 51 6.3 组网及通信测试 ................................................................................................. 52 6.3.1 组网实验 ...................................................................................................... 52 6.3.2 节点间通信实验 .......................................................................................... 54 6.3.3 实验结果分析 .............................................................................................. 55 6.4 机器人导航实验 ................................................................................................. 56 6.4.1 导航实验过程 .............................................................................................. 56 6.4.2 实验结果分析 .............................................................................................. 56 6.5 定位导航实验 ..................................................................................................... 58 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 6.5.1 定 位导航实验过程 ..................................................................................... 58 6.5.2 实验结果分析 .............................................................................................. 59 6.6 本章小结 ............................................................................................................. 60 结论 ................................................................................................................................. 61 参考文献 ......................................................................................................................... 62 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ............................................................... 68 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 ............................................................... 68 致谢 ................................................................................................................................. 69 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 卫星导航定位系统是目前应用最广泛的一种导航定位手段,例如美国的全球定位系统 GPS、俄罗斯全球导航卫星系统 GLONASS、欧洲 GALILEO计划以及我国的 “ 北斗一号 ” 系统,这些系统都可以为用户 提供高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息,是一种可供海陆空领域的军民用户共享的信息资源 [14]。但是在室内、井下、高层建筑物或植被遮挡等卫星导航信号覆盖盲区上述系统无法提供导航定位服务 [5],同时卫星导航系统由于一些非技术因素不能提供足够高精度(如小于 1m)的定位信息。本课题所研究的 目标 就是针对复杂不确定环境无卫星导航信号情况下对移动目标提供精确、实时的导航定位服务需求而开展的。目前在无卫星导航信号情况下,工程中对移动机器人自主导航定位技术有以下几个方面的需求 ( 1) 智能物流管理系统中对运输车辆 及货物的跟踪导航定位 [6,7]服务; ( 2) 井下、建筑物内部发生灾难时对搜救机器人提供导航定位 [8,9]服务; ( 3) 大型机场活动目标避撞系统中确定目标相对位置及目标靠近预警服务 [10,11]。 随着机器人技术的不断发展机器人的应用领域越来越广,很多场合需要机器人具有自主导航能力,其中精确的跟踪定位信息是机器人实现自主导航的前提。目前,应用于自主移动机器人的导航定位技术有很多,主要分为以下两类 [12] ( 1) 通过码盘、电子陀螺仪、加速度计等传感器记录机器人自己的移动过程,通过积分累计计算出当前时刻的位置; ( 2) 通过雷达、激光测距仪、图像匹配等确定机器人与环境的相对位置进而获得自己的位置信息。但是由于移动机器人机动性强、自身建模困难,第一种方法积分累计误差对定位精度影响较大,第二种方法成本较高,需要增加昂贵的附属设备。 本课题在总结前人工作经验的基础上 [13,14] ,利用无线传感器网络( Wireless Sensor Network, WSN)节点间接收信号强度信息和网络拓扑结构对移动机器人提供高精度导航定位服务的方法。无线传感器网络是近年来最新发展起的一种全新的信息获取和处理技术,通过各种集成化的微小节点协哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 作 感知环境和监测对象的信息,低成本、大规模部署、无处不在是其典型特点。在移动机器人作业区域内预先部署一定密度的信标节点,利用机器人和各信标节点之间通信的信号强度及网络拓扑结构信息确定机器人的相对位置,每个信标 节点作为一个独立的分布式模糊控制决策单元计算导航控制输出量, 控制中心融合各个信标节点的控制输出信息引导机器人到达目标位置。以数据驱动的导航服务策略是本课题的一个突出特色,当无线传感器网络感知到某些区域发生异常能够引导机器人到达事发区域并采取相应的动作, 从而使无线传感器网络变成一个无人值守的自主智能信息处理 系统。 近年来 的研 究表 明 在不 增加 现有 传 感器 网络 节点 硬件 成本 的前 提下RSSI[15,16]( Receive Signal Strength Indicate)是一种较为理想的节点间测距定位方式,结合网络拓扑结构信息可以为移动机器人提供较高精度的 小于0.5m导航定位信息。但目前基于无线传感器网络的移动机器导航定位技术还局限于理论研究阶段,要应用到实际工程中还有许多问题亟待解决。因此本课题的研究对于提高移动机器人导航精度以及加速无线传感器网络走向实用化都有着重要的意义。 1.2 无线传感器网络发展现状 无线传感器网 络 [16,17]WSN. Wireless Sensor Network是由多个节点组成的面向任务的无线网络,它综合了传感器技术 [18]、嵌入式计算技术 [19]、现代网络及无线通信技术 [20]、分布式信息处理技术 [21]等多种领域技术,通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测,由嵌入式计算资源对信息进行处理,并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景,在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价 值。 在无线传感器网络中一般包括 网络协调器 coordinator、全功能设备full function device和 精简功能设备 reduced function device。 传感器节点 可以通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式 部署在监测区域 sensor field内部或附近, 通过自组织形 式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐步跳跃地 进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后传播 到汇聚节点 sink node,最后通过互联网络到达管理节点。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - N o d e sH e a d i n c lu s te rc lu s te rIn te rn e tS in k n o d e图 1-1 传感器网络的体系结构 Figure 1-1 Architecture of sensor network 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看,每个传感器节点具有采集数据,接收数据,处理数据,发送数据的功能,部分节点还可以兼顾路由的功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理等处理,同时与其他节点协作完成一些特定任务。图 1-1 给出 了传感器网络的体系结构的一般描述。 由于无线传感器网络的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的极大关注。自 2000 年起,国际上陆续出现了一些有关无线传感器网络研究结果的报道,美国自然科学基金委员会 2003 年制定了传感器网络研究计划,支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目。 国内在无线传感器网络的研究也已经在很多研究所和高校展开。 中科院上海微系统所凭借其在微系统和微机电系统方面良好的基础,从1998 年开始就对无线传感器网络进行了跟踪和研究,已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发。他们的很多工作都是与 CDMA 和GPS 技术相关,从某种程度上说已经超越了无线传感器网络技术。 中科院电子所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展工作,他们专注于传感或控制执行部分,对上层的通信技术和核心微处哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 理器部分涉及较少。 浙江大学现代控制工程研究所成立了 “无线传感器网络控制实验室 ”,联合相关单位专门从事面向无线传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究。 山东省科学院于 2004 年 10 月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。 另外中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都开展了一定的研究工作。从研究问题的深度和投入的科研力量来说,国内的水平相对国外还有差距,在点上的研究较多,缺少对整个系统的创新性研究。 1.3 ZigBee 技术概述 ZigBee [1820]是一种新 兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。 ZigBee 这个名字 的命名主要 来源于 对 蜜蜂 采蜜过程的观察,蜜蜂在采蜜过程中,通过 跳 Zigzag 形状的舞蹈来通知其他蜜蜂有关花粉位置等 信息 ,以达到彼此沟通交流 的 目的,故 用 此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee 以前也 被称为 HomeRF Lite, RF-Easylink 或 Firefly 无线电技术,目前统一称为 ZigBee。 ZigBee 技术并不是完全独有、 全新的标准。它的物理层和 MAC 层采用了 IEEE802.15.4无线个人区域网 协议标准,但在此基础上进行了完善和扩展。其网络 层、应用 层和高层应用规范 API由 ZigBee 联盟进行了制定 。 根据 IEEE 802.15.4 协议标准, ZigBee 的工作频段分为 3 个频段,这 3个工作频段相距较大,而且在各频段上的信道数目不同,因而,在该项技术标准中,各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHZ, 915MHz 和 2.4GHZ,其中 2.4GHz 频段上,分为 16 个信道,该频段为全球通用的工业、科学、医学频段 ISM Industrial, Scientific and Medical,且该频段为免付费 、免申请的无线电频段,在该频段上,数据传输速率为250kbps; 另外两个频段为 868/915MHz,其相应的信道 个 数分别为 1 个 信道和 10 个信道 ,传输速率分别为 20 和 40kbps。 根据 ZigBee 的 技术本质, ZigBee 具有以下 特性 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - ( 1) 省电 ZigBee 传输速率低, 所以 传输 的数据量很 少,所以 信号的收发时间短,尤其 在非工作模式时, ZigBee 处于睡眠模式,而在工作与睡眠模式之间的转换时间,一般睡眠启动时间只有 15ms,而设备搜索时间为30ms。透过上述方式,使得 ZigBee 十分省电, 2 节 5 号 电池则可 使用 长达6 个月到 2 年左右 。 ( 2) 可靠度高 ZigBee 的 MAC 层采用 talk-when-ready 碰撞避免机制, 当有 数据需要传送时则立即传送,每个发送的数据封包都由接收方确认收到,并进行确认信 息回覆,若没有得到确认 信息 的 回覆就表示发生了碰撞,将再传一次,以此方式大幅提高系统数据传输的 可靠度,另外 ZigBee提供了数据完整性检验和鉴权功能。 ( 3) 安全性高 ZigBee 采用了 AES-128 加密算法 ,同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性。 ZigBee 联盟还开发了安全层,以保证这种设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。 ( 4) 高度扩充性 一个 ZigBee 的网 络最多包括有 255 个 ZigBee 网络节点,其中一个是 Master 设备,其余则是 Slave 设备。若是 通 过 网络协调器 Network Coordinator则整体网络最多可达到 65000 个 ZigBee 网络节点,再加上各个 网络协调器 可互相连接,整体 ZigBee 网路节点数目将十分可观。 ( 5) 成本低廉 目前, ZigBee 芯片的成本大约在 3 美元左右, ZigBee设备成本的目标是要在 1 美元以下。而且 ZigBee 芯片的体积较小,如 TI 公司生产的 CC2430 收发芯片的体积为 5mm*5mm,随着半导体集成技术的发展, ZigBee 芯片的体积将会变得更小,成本也会降得更低。 1.4 几种短距离无线通信技术 比较 目前,短距离无线通信技术,除 ZigBee 技术外,还存在许多其他技术,它们各有各的特色,下文将 ZigBee 技术与这些相关技术作简单的分析比较,可以更好的了解它们各自的技术性能和应用领域 [21]。这些技术分别是红外 [22]、家庭无线射频技术 [23]、蓝牙 [24]、超带宽 [25]、 IEEE 802.11
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