基本信息
- 項目名稱：
- 飛行傳感器網(wǎng)絡
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 飛行傳感器網(wǎng)絡是一個融合了飛行機器人和移動無線傳感器網(wǎng)絡的新概念，其基本節(jié)點是多個在空間分布的、可自主飛行的、具有很強計算和感知能力的微型飛行機器人。并利用地面移動機器人作為飛行傳感器網(wǎng)絡中的基站結(jié)合進一步擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，融合并處理各種傳感器數(shù)據(jù)并進行任務規(guī)劃。它可用于探知各種環(huán)境中的各種信息，應用在救援、軍事、民用等多個領(lǐng)域。
- 詳細介紹：
- ? 移動無線傳感器網(wǎng)絡（Mobile Wireless Sensor Network, MWSN） 傳統(tǒng)的靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是由大量部署在觀測環(huán)境中的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點通過多跳通信方式形成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、處理、無線通信和自組織的能力，能協(xié)作地完成大規(guī)模復雜的監(jiān)測任務。網(wǎng)絡中通常只有少量的匯聚節(jié)點負責發(fā)布命令和收集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信。 移動無線傳感器網(wǎng)絡（MWSN）的概念最早出現(xiàn)在1991年，相對于已經(jīng)廣泛應用的傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡，MWSN近年來才引起人們的廣泛關(guān)注。MWSN由分散的移動節(jié)點組成，每個節(jié)點除了具有傳統(tǒng)靜態(tài)節(jié)點的傳感、計算和通信能力外，還具有一定的機動能力。對于一些危險場合和動態(tài)環(huán)境對象，如災難現(xiàn)場緊急救援、建筑物內(nèi)危險品泄漏等。傳統(tǒng)的WSN部署方法實現(xiàn)起來將十分困難甚至失效，而利用MWSN的機動能力，問題將會迎刃而解。配備相關(guān)傳感器的移動節(jié)點可以自動地在現(xiàn)場部署開來，按預定的程序取得一個合適的分布密度和網(wǎng)絡覆蓋，及時傳回實時數(shù)據(jù)。 盡管節(jié)點移動給MWSN的設計帶來諸多問題和挑戰(zhàn)，MWSN在使用方面具有傳統(tǒng)靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡所不具有的優(yōu)點： a) MWSN具有更有效的能量利用效率。 b) 相比靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡，MWSN有更大的通道容量。 c) MWSN可以更好地觀察目標，具有更好的視野或更近的觀察距離。 d) 可移動性可以使傳感器節(jié)點之間擁有更好的通信質(zhì)量。 e) 數(shù)據(jù)保真度的增加。 ? 飛行機器人（Micro Flying Robot） 飛行機器人是一種小型的、無人駕駛的、并具有一定自主能力的飛行器，其設計的主要目的是作為獨立的觀察裝置。飛行機器人不是載人飛行器的一種替代品，它的特性令其能夠完全適應更為復雜的環(huán)境，這使得飛行機器人成為一種新的概念。從小型飛機到氣動力微型直升機，它們具有不同的形狀、大小和外觀設計，偶爾攜帶小型負載。 飛行機器人應用廣泛，軍事用途是它發(fā)展的潛在推動的主要因素，當然飛行機器人也被用于商業(yè)和科學研究中。在執(zhí)行建筑物內(nèi)的偵察任務時，飛行機器人可以迅速執(zhí)行穿越走廊、爬行、或穿過建筑物的通風系統(tǒng)等任務。在人類不能進入或地面車輛無法進入的危險環(huán)境，飛行機器人也可以完成搜尋工作。飛行機器人的其它應用也有很多，比如標記、定位和通信等。 ? 飛行傳感器網(wǎng)絡（Flying Sensor Network）概念及意義 當前，移動無線傳感器網(wǎng)絡中的子節(jié)點會遇到計算能力的瓶頸，這在很大程度上限制了它的應用范圍。為此，我們提出了“飛行傳感器網(wǎng)絡”概念，用具有很強計算和感知能力的飛行機器人作為移動無線傳感器網(wǎng)絡的子節(jié)點，并配以一些地面移動基站進行輔助通訊和計算，并通過無線方式進行信息傳輸。相對于獨立個體的飛行機器人，飛行傳感器網(wǎng)絡在極端環(huán)境下具有更為強大的處理和活動能力，特別是對于無法估計或具有不確定性的任務。
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(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 飛行傳感器網(wǎng)絡是一個融合了飛行機器人和移動無線傳感器網(wǎng)絡的新概念，其基本節(jié)點是多個在空間分布的、可自主飛行的、具有很強計算和感知能力的微型飛行機器人。為了擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，地面移動機器人作為飛行傳感器網(wǎng)絡中的基站，融合并處理各種傳感器數(shù)據(jù)并進行任務規(guī)劃。多個飛行機器人與多個地面移動機器人協(xié)同合作，探知環(huán)境中的各種信息。飛行傳感器網(wǎng)絡具有重要的理論研究價值，可應用于救援、軍事、民用等多個領(lǐng)域。
科學性、先進性
- 飛行傳感器網(wǎng)絡融合了飛行機器人和移動無線傳感器網(wǎng)絡(MWSN)的技術(shù)。較傳統(tǒng)的靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡，MWSN具有更有效的能量利用效率，更大的通道容量，可以更好地觀察目標，具有更好的視野或更近的觀察距離，其可移動性可以使傳感器節(jié)點之間擁有更好的通信質(zhì)量，增加了數(shù)據(jù)保真度。飛行傳感器網(wǎng)絡用具有很強計算和感知能力的飛行機器人作為MWSN的子節(jié)點，并配以一些地面移動基站進行輔助通訊和計算，并通過無線方式進行信息傳輸。相對于獨立個體的飛行機器人，飛行傳感器網(wǎng)絡在極端環(huán)境下具有更為強大的處理和活動能力，特別是對于無法估計或具有不確定性的任務。比如，地震后的搜索和救援工作。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作為中國高校的代表，參加了2010年10月在上海召開的微軟亞太區(qū)技術(shù)節(jié)。
作品所處階段
- 實驗階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 擬申請2～3項專利，其中包括“嵌入式多傳感器融合技術(shù)”等，并以普通許可的方式與企業(yè)進行合作。
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 飛行傳感器網(wǎng)絡可將傳感器網(wǎng)絡立體化、集成化，可以綜合多個飛行器得到的數(shù)據(jù)，更加全面可靠的反映偵測目標的相對狀態(tài)，是集合多領(lǐng)域技術(shù)的綜合系統(tǒng)；利用了WiFi與ZigBee的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)的傳輸。飛行傳感器網(wǎng)絡包括若干采集數(shù)據(jù)的飛行機器人和用于處理通訊中轉(zhuǎn)的地面移動基站，具有極強的展示效果，在許多領(lǐng)域?qū)玫綇V泛的應用，如勘探、救援、軍事等領(lǐng)域。
同類課題研究水平概述
- 飛行傳感器網(wǎng)絡，在國內(nèi)迄今為止還無法查詢到相關(guān)的研究成果。在國外，尤其在美國，最近幾年已經(jīng)有一些研究者開始關(guān)注類似的領(lǐng)域，美國空軍學院的研究小組提出了多個無人機的合作搜索算法，其中提出了針對多個無人機的基于統(tǒng)計學的Sigma-Point Kalman濾波，這種濾波方法是基于統(tǒng)計學習理論的，相對于傳統(tǒng)的Kalman濾波和Extended Kalman濾波具有更優(yōu)的效果。由電氣與計算機工程系美空軍學院的Pedro DeLima等人使用Kalman濾波技術(shù)來減少多個無人機傳感器目標定位誤差和定位時間的方法。英國劍橋大學的C. Kemp和T. Drummond提出了通過最優(yōu)分割方法來動態(tài)地聚類測量數(shù)據(jù)以助于多個飛行機器人實時跟蹤的方法。德雷克塞爾大學的Flow William E等人曾介紹了一種原型為CQAR的飛行機器人，這種飛行機器人有在建筑物周邊和內(nèi)部飛行的能力，且設計其有一種深度“知覺”，讓多個飛行機器人合作，自動躲避障礙和在照明條件不好的情況下飛行。日本東京大學的HOSOI KAZUHIRO等人利用了多個飛行機器人進行室內(nèi)環(huán)境下合作定位的算法，讓每個飛行機器人都計算各自的相對位置，然后利用蒙特卡洛定位方法減少不確定因素。美國MIT的Mac Schwager等人利用了多個飛行機器人朝向地面的攝像頭，進行室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的算法，是利用飛行機器人作為研究載體，進行多視角下圖像拼接的研究，屬于視覺領(lǐng)域的研究工作。西班牙塞維利亞大學的Juan Jos′e Rebollo等人進行了多個非合作的飛行機器人避障算法的研究，其研究默認地圖已知，在各個飛行機器人路徑規(guī)劃的結(jié)果中，利用搜索樹的方法尋找一條最安全的通路，其成果無法應用于未知空間的探索中。 綜上所述，當前國內(nèi)外的研究，大都停留在單個飛行機器人的控制算法研究上，對多個飛行機器人的配合工作的問題上還缺乏深入有效的研究，大都用仿真的手段驗證其算法的效能，還未見到有成熟的實際系統(tǒng)支持相關(guān)的理論，同時這些研究工作都未將飛行機器人的協(xié)調(diào)工作上升到網(wǎng)絡的高度。而本作品的飛行傳感器網(wǎng)絡，將地面移動機器人與飛行機器人結(jié)合，是一個更為龐大和復雜的系統(tǒng)，是一個分層控制的體系結(jié)構(gòu)。本作品結(jié)合了當前國內(nèi)外的研究成果，并且提出了更多新的研究方向。
