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基本信息
- 項目名稱：
- 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)實時跟蹤系統(tǒng)及其應(yīng)用
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 系統(tǒng)由超聲波傳感器、無線通訊模塊、輪式移動機(jī)器人、上位機(jī)組成一個分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，在該平臺上提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式異步測量的數(shù)據(jù)融合優(yōu)化策略，并突破以往局限于單目標(biāo)跟蹤的工作模式，實現(xiàn)了多目標(biāo)的實時跟蹤功能和基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程反饋控制。 本系統(tǒng)的實現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)化傳感與控制的理論研究提供仿真和實際驗證平臺。同時以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，為物流、安防、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用問題提供具體的模擬手段。
- 詳細(xì)介紹：
- 本系統(tǒng)是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及移動機(jī)器人組成的分布式測量與多機(jī)器人編隊控制研究及應(yīng)用平臺。此系統(tǒng)突破了以往局限于單目標(biāo)跟蹤的工作模式，實現(xiàn)了多目標(biāo)的實時定位跟蹤和基于網(wǎng)絡(luò)化反饋的多機(jī)器人編隊控制。為了避免多目標(biāo)跟蹤造成的網(wǎng)絡(luò)沖突，提出了一種傳感器任務(wù)節(jié)點調(diào)度策略和節(jié)點自適應(yīng)分簇以及簇間協(xié)商的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。針對網(wǎng)絡(luò)中分布式的異步測量問題，研究了節(jié)點時鐘同步策略以及基于分布式異步測量的數(shù)據(jù)融合和卡爾曼濾波定位算法，并對多種數(shù)據(jù)融合和濾波定位算法進(jìn)行比較分析，在不同區(qū)域選取最優(yōu)的定位算法進(jìn)行目標(biāo)實時定位跟蹤。 在上述研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基于無線分布式測量的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化實時反饋控制和雙機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制與編隊控制。為此，我們在此平臺上研究并實施了路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等控制算法。 本系統(tǒng)的實現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)化傳感與控制的理論研究提供仿真和實際驗證平臺。同時以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，為物流、安防、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用問題提供了具體的系統(tǒng)框架以及概念性解決方案，具有很廣泛的市場應(yīng)用前景。 創(chuàng)新：打破過去基于傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實時定位、編隊控制只能局限于理論研究的界限，建立一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)實時跟蹤與基于網(wǎng)絡(luò)化反饋的機(jī)器人編隊控制研究平臺和實物模型。 成果：已發(fā)EI收錄論文5篇，核心期刊1篇 [1]An Adaptive Clustering and Inter-cluster Negotiation Protocol for Multi-target Tracking Based on WSN, EI Compendex [2] Non-autonomous Wheeled Mobile Robot Trajectory Tracking Control Based on The Navigation Via WSN, EI Compendex [3] Performances of Localization Algorithms in a Prototype WSN System, EI Compendex [4] A Prototype Target Tracking Network System for Robot Feedback Control, EI Compendex [5]The Design and Implementation of a Target Tracking Test Bed Based on WSN, EI compendex [6] 基于分布式異步測量傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人控制，自動化與儀表
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一.作品設(shè)計目的:隨著基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面的廣泛應(yīng)用，人們對定位跟蹤的實時性、定位精度、穩(wěn)定性、反饋控制等方面的要求越來越高，甚至提出了多目標(biāo)定位跟蹤的需求。而國內(nèi)外的研究成果往往都是局限在單目標(biāo)的定位跟蹤上，甚少出現(xiàn)多目標(biāo)定位跟蹤的實物平臺?；谶@種情況，本小組利用超聲波節(jié)點構(gòu)建了一個實際的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，實現(xiàn)多目標(biāo)的實時定位跟蹤，為目標(biāo)定位跟蹤在軍事、工業(yè)等各方面的應(yīng)用提供實際意義上的技術(shù)指導(dǎo)。 二.作品設(shè)計基本思路：本小組設(shè)計了在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下融合通信參量的系統(tǒng)控制理論與方法的實驗平臺，并模擬了一個高噪聲環(huán)境下的分布式異步測量網(wǎng)絡(luò)。超聲波傳感器根據(jù)TOF(time of flight)換算成目標(biāo)與固定節(jié)點之間的距離，測量值通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送到基站，基站通過多傳感器測量數(shù)據(jù)融合后的定位算法得到目標(biāo)機(jī)器人的位置,并將目標(biāo)位置反饋給機(jī)器人實現(xiàn)反饋控制。 三.創(chuàng)新點：打破過去多目標(biāo)實時定位跟蹤與控制只能局限于理論研究的界限，建立一個基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)實時跟蹤與網(wǎng)絡(luò)化反饋控制研究平臺和實物模型。 四.技術(shù)關(guān)鍵及主要技術(shù)指標(biāo)：本平臺具有分布式、高速異步測量數(shù)據(jù)融合的特點，并是一個模擬高噪聲環(huán)境的實物模型。任務(wù)節(jié)點的調(diào)度策略、超聲波測距時的相互干擾、通信信道帶寬的限制、以及分布式異步測量的數(shù)據(jù)融合算法等是整個研究的技術(shù)關(guān)鍵問題。經(jīng)多次實驗測量，平臺可跟蹤目標(biāo)的最大速度達(dá)到1rad/s（以任務(wù)節(jié)點為圓心）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在定位跟蹤中的應(yīng)用的研究成果大多局限于理論水平與計算機(jī)仿真上。本實驗平臺利用一組超聲波傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，模擬了一個高噪聲的分布式異步測量環(huán)境。并專門針對超聲波測距時的相互干擾問題，制定了一套節(jié)點調(diào)度策略基于分布式異步測量的擴(kuò)展卡爾曼濾波定位算法，大大降低超聲波相互干擾的程度和提高定位跟蹤的精度，從而突破單目標(biāo)跟蹤的局限，成功實現(xiàn)多目標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)中的定位跟蹤。并且在此基礎(chǔ)上與機(jī)器人組成了一個基于無線網(wǎng)絡(luò)的實時反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)器人的精確導(dǎo)航和多機(jī)器人的協(xié)同編隊控制。 實驗平臺在定位算法策略進(jìn)行了很大的改進(jìn)：比較現(xiàn)有的各種定位算法，選擇一個定位效果最好的算法。再針對可能出現(xiàn)的時間不同步，測量噪聲，數(shù)據(jù)丟包等問題引入其它環(huán)節(jié)對算法進(jìn)行改善，如二次插值法可以將不同時刻的測距值折算到同一時刻以克服時間的不同步問題，利用線性擬合方法可以減少測距值的誤差，使之更加平滑。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 發(fā)表獲EI/ISTP檢索的相關(guān)論文5篇： [1]The Implementation of a Multi-target Realtime Tracking System Based on WSN [2]Non-autonomous Wheeled Mobile Robot Trajectory Tracking Control Based on The Navigation [3]Performances of Localization Algorithms in a Prototype WSN System [4]A Prototype Target Tracking Network System for Robot Feedback Control [5]The Design and Implementation of a Target Tracking Test Bed Based on WSN 發(fā)表中文核心期刊論文1篇： [1] 基于分布式異步測量傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人控制
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；模型；圖片；錄像；樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集無線通信、數(shù)據(jù)采集和信息處理功能于一體的新興的分布式自組織數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，在軍事和民用領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用前景。定位跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。 本實驗平臺融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多種優(yōu)點，突破了單目標(biāo)跟蹤的瓶頸，在分步式、異步測量的數(shù)據(jù)融合的方式下實現(xiàn)了多目標(biāo)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位跟蹤，可跟蹤目標(biāo)最大速度達(dá)到1rad/s（以任務(wù)節(jié)點為圓心），在國內(nèi)外同類課題中獲得了突破性進(jìn)展。此平臺為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位跟蹤在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用提供了一個實物模型，具有較高的應(yīng)用和研究價值。 本實驗平臺給從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的專家學(xué)者們提供了一個很好的實驗平臺，過去一些只能在理論層面的高級算法可以在本實驗平臺進(jìn)行驗證和實現(xiàn)。所以，可以作為一套產(chǎn)品推廣到其它科研團(tuán)隊進(jìn)行各方面的算法研究。該平臺可以進(jìn)行多機(jī)器人的協(xié)同控制及編隊控制，對加強(qiáng)控制理論的實踐應(yīng)用和促進(jìn)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了一定的作用，同時也是軍工和安防的一個實物模型。
同類課題研究水平概述
- 近年來，WSN研究幾乎是呈爆炸式發(fā)展，美國麻省理工學(xué)院、哈福大學(xué)、康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)等世界著名大學(xué)，以及包括Inter、Microsoft、IBM、DUST、Crossbow在內(nèi)的著名企業(yè)都紛紛開展WSN方面的研究，此外歐洲、亞洲各國的很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛投入了大量的研發(fā)力量開展這方面的研究。我國在現(xiàn)代意義的WSN及其應(yīng)用研究方面幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動，1999年中國科學(xué)院<<知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究>>將WSN作為重大項目之一，國家“十五”科技攻關(guān)項目也把WSN列為重大研究項目，國內(nèi)很多高校如清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等、中科院等研究機(jī)構(gòu)、中興、華為等公司著名企業(yè)也紛紛加入到研究行列。2007年11月17日國內(nèi)首次無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇在杭州舉行，“中國無線傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟”也同時在這次會議上宣告正式成立，標(biāo)志著我國WSN研究進(jìn)入到一個新的階段。 國內(nèi)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的起步稍晚，但是國家和研究機(jī)構(gòu)投入的力度很大，在推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)力方面，很多研究所和大學(xué)都做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點方面，考慮到軟件(TinyOS)的兼容性及硬件平臺的可比性，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也和國外研究機(jī)構(gòu)一樣，絕大多數(shù)的設(shè)計方案都是研習(xí)國外著名的節(jié)點硬件平臺，如micaz和telos系列節(jié)點，而主要專注于無線通信協(xié)議棧、同步和定位中間件、數(shù)據(jù)融合、低功耗與高可靠高安全性設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)管理、質(zhì)量保證技術(shù)以及特定行業(yè)的應(yīng)用研究。 關(guān)于基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤的問題上，大部分文獻(xiàn)的研究都是停留在理論層面和仿真上，甚少有通過搭建實際的定位跟蹤系統(tǒng)來開發(fā)算法，驗證算法的文獻(xiàn)。目前國內(nèi)外實際搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)普遍具有如下特點： [1]由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度的復(fù)雜性，基本上只能實現(xiàn)單目標(biāo)的定位，對多目標(biāo)的實現(xiàn)非常罕見。 [2]跟蹤軌跡粗糙，定位精度不高。 [3]由于時間的不同步，跟蹤具有較大的滯后，實時性差。 [4]可跟蹤目標(biāo)的速度具有很大的限制，對于高速移動的目標(biāo)無能為力。 針對以上現(xiàn)有基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤系統(tǒng)具有定位精度差、跟蹤軌跡粗糙、實時性差等缺點，本作品提供了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)實時跟蹤系統(tǒng)，它極大地改善了現(xiàn)有同類系統(tǒng)的不足，具有顯著的科學(xué)性和先進(jìn)性。
