基本信息
- 項目名稱：
- 基于無線傳感器網絡的多目標實時跟蹤系統(tǒng)及其應用
- 小類：
- 信息技術
- 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、輪式移動機器人、上位機組成一個分布式無線傳感器網絡平臺，在該平臺上提出無線傳感器網絡分布式異步測量的數據融合優(yōu)化策略，并突破以往局限于單目標跟蹤的工作模式，實現了多目標的實時跟蹤功能和基于無線網絡的遠程反饋控制。 本系統(tǒng)的實現為網絡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絡為基礎，為物流、安防、軍事等領域的應用問題提供具體的模擬手段。
- 詳細介紹：
- 本系統(tǒng)是由無線傳感器網絡以及移動機器人組成的分布式測量與多機器人編隊控制研究及應用平臺。此系統(tǒng)突破了以往局限于單目標跟蹤的工作模式，實現了多目標的實時定位跟蹤和基于網絡化反饋的多機器人編隊控制。為了避免多目標跟蹤造成的網絡沖突，提出了一種傳感器任務節(jié)點調度策略和節(jié)點自適應分簇以及簇間協(xié)商的網絡路由協(xié)議。針對網絡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據融合和卡爾曼濾波定位算法，并對多種數據融合和濾波定位算法進行比較分析，在不同區(qū)域選取最優(yōu)的定位算法進行目標實時定位跟蹤。 在上述研究的基礎上，實現了基于無線分布式測量的機器人網絡化實時反饋控制和雙機器人的網絡化協(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)的實現為網絡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絡為基礎，為物流、安防、軍事等領域的應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用前景。 創(chuàng)新：打破過去基于傳感器網絡多目標實時定位、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絡的多目標實時跟蹤與基于網絡化反饋的機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絡機器人控制，自動化與儀表
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一.作品設計目的:隨著基于無線傳感器網絡的目標定位跟蹤在軍事、工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面的廣泛應用，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，甚至提出了多目標定位跟蹤的需求。而國內外的研究成果往往都是局限在單目標的定位跟蹤上，甚少出現多目標定位跟蹤的實物平臺?；谶@種情況，本小組利用超聲波節(jié)點構建了一個實際的分布式無線傳感器網絡實驗平臺，實現多目標的實時定位跟蹤，為目標定位跟蹤在軍事、工業(yè)等各方面的應用提供實際意義上的技術指導。 二.作品設計基本思路：本小組設計了在網絡環(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絡。超聲波傳感器根據TOF(time of flight)換算成目標與固定節(jié)點之間的距離，測量值通過ZigBee無線網絡傳送到基站，基站通過多傳感器測量數據融合后的定位算法得到目標機器人的位置,并將目標位置反饋給機器人實現反饋控制。 三.創(chuàng)新點：打破過去多目標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絡的多目標實時跟蹤與網絡化反饋控制研究平臺和實物模型。 四.技術關鍵及主要技術指標：本平臺具有分布式、高速異步測量數據融合的特點，并是一個模擬高噪聲環(huán)境的實物模型。任務節(jié)點的調度策略、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據融合算法等是整個研究的技術關鍵問題。經多次實驗測量，平臺可跟蹤目標的最大速度達到1rad/s（以任務節(jié)點為圓心）。
科學性、先進性
- 關于無線傳感器網絡在定位跟蹤中的應用的研究成果大多局限于理論水平與計算機仿真上。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絡，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)點調度策略基于分布式異步測量的擴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，從而突破單目標跟蹤的局限，成功實現多目標在網絡中的定位跟蹤。并且在此基礎上與機器人組成了一個基于無線網絡的實時反饋系統(tǒng)，實現了機器人的精確導航和多機器人的協(xié)同編隊控制。 實驗平臺在定位算法策略進行了很大的改進：比較現有的各種定位算法，選擇一個定位效果最好的算法。再針對可能出現的時間不同步，測量噪聲，數據丟包等問題引入其它環(huán)節(jié)對算法進行改善，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。
獲獎情況及鑒定結果
- 發(fā)表獲EI/ISTP檢索的相關論文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絡機器人控制
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產品；模型；圖片；錄像；樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 無線傳感器網絡是集無線通信、數據采集和信息處理功能于一體的新興的分布式自組織數據采集網絡，在軍事和民用領域中都有著廣泛的應用前景。定位跟蹤是無線傳感器網絡的重要應用之一。 本實驗平臺融合了無線傳感器網絡多種優(yōu)點，突破了單目標跟蹤的瓶頸，在分步式、異步測量的數據融合的方式下實現了多目標在無線傳感器網絡中的定位跟蹤，可跟蹤目標最大速度達到1rad/s（以任務節(jié)點為圓心），在國內外同類課題中獲得了突破性進展。此平臺為基于無線傳感器網絡的定位跟蹤在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療等方面的應用提供了一個實物模型，具有較高的應用和研究價值。 本實驗平臺給從事無線傳感器網絡研究的專家學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行驗證和實現。所以，可以作為一套產品推廣到其它科研團隊進行各方面的算法研究。該平臺可以進行多機器人的協(xié)同控制及編隊控制，對加強控制理論的實踐應用和促進控制領域的發(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，美國麻省理工學院、哈福大學、康奈爾大學、斯坦福大學等世界著名大學，以及包括Inter、Microsoft、IBM、DUST、Crossbow在內的著名企業(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和研究機構也紛紛投入了大量的研發(fā)力量開展這方面的研究。我國在現代意義的WSN及其應用研究方面幾乎與發(fā)達國家同步啟動，1999年中國科學院<<知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究>>將WSN作為重大項目之一，國家“十五”科技攻關項目也把WSN列為重大研究項目，國內很多高校如清華大學、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等、中科院等研究機構、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日國內首次無線傳感器網絡產業(yè)發(fā)展高峰論壇在杭州舉行，“中國無線傳感網產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟”也同時在這次會議上宣告正式成立，標志著我國WSN研究進入到一個新的階段。 國內在無線傳感器網絡技術方面的起步稍晚，但是國家和研究機構投入的力度很大，在推動無線傳感器網絡技術的自主知識產權力方面，很多研究所和大學都做出了相當大的貢獻。在無線傳感器網絡節(jié)點方面，考慮到軟件(TinyOS)的兼容性及硬件平臺的可比性，國內研究機構也和國外研究機構一樣，絕大多數的設計方案都是研習國外著名的節(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、數據融合、低功耗與高可靠高安全性設計、網絡管理、質量保證技術以及特定行業(yè)的應用研究。 關于基于無線傳感器網絡的目標定位跟蹤的問題上，大部分文獻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。目前國內外實際搭建的無線傳感器網絡定位系統(tǒng)普遍具有如下特點： [1]由于無線傳感器網絡任務調度的復雜性，基本上只能實現單目標的定位，對多目標的實現非常罕見。 [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]可跟蹤目標的速度具有很大的限制，對于高速移動的目標無能為力。 針對以上現有基于無線傳感器網絡跟蹤系統(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絡的多目標實時跟蹤系統(tǒng)，它極大地改善了現有同類系統(tǒng)的不足，具有顯著的科學性和先進性。
