（机械电子工程专业论文）移动机器人无线网络定位导航系统的开发.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的进步和无线网络的发展，无线传感器网络以其无需布线，组 网容易以及拓展方便，越来越受到人们的重视。基于无线传感器网络的定位导航 技术也成为部分开发人员的焦点所在。人们已经开发出了井下矿工救援系统、小 区仓库停车系统、机场大厅导航系统和图书馆书籍跟踪系统等智能定位导航系 统。这些系统均存在移动目标、物体或者终端，需要实时的反馈其空间位置坐标 信息，并指导其下一步的具体动作。目前这些定位导航系统的实现，存在成本上 较高、响应时间较长、交互不够智能化、定位精度不够高等不利因素。本论文正 是基于这样的原因，设计并开发出了一套低成本的移动机器人定位导航系统，该 系统是基于无线传感器网络的系统。 z i g b e e 技术是一种短距离的无线数据通信技术之一，它基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，具有较低的功率消耗、较短的时间延迟以及较低的数据传输速率等特点。 随着z i g b e e 技术的越来越普及化，在智能化家庭居住、医院病房护理、汽车控 制自动化等方面的应用均取得了良好的效果。因而基于z i g b e e 相关技术的定位 以及导航问题受到人们的日益关注。 本论文研究了基于z i g b e e 无线网络的定位以及导航技术，详细的介绍了 z i g b e e 技术的相关特点、网络设备的构成以及网络的拓扑结构，同时也介绍了 德州仪器公司开发出的针对z i g b e e 网络的协议栈软件，包括软件的概述、软件 的总体框架和软件的流程。利用前述协议开发出了移动机器人定位和导航系统， 硬件方面，移动机器人的控制芯片选用a t m e l 公司的m e g a l 6 单片机，无线传 感器网络的三种节点设备主要选用t i 的c c 2 4 3 0 c c 2 4 31 无线芯片。机器人采用 直流电机驱动其行走，通过l 2 9 8 n 芯片来控制直流电机的转向，而通过产生p w m 波来控制直流电机的转速。并开发了一套上位机监测和控制软件，该软件基于 q t 4 平台开发，具有跨操作系统运行平台特性，可移植性强。 本论文最后对定位导航系统分别进行了定位测试和导航测试。测试结果表 明：该系统达到了最初设计的要求，实现了基本的定位和导航，同时该系统是一 个成本较低、易于实现的系统。最后针对本系统的不足之处，提出了具体的解决 思路和可行的解决方法。 关键词：定位导航系统移动机器人z i g b e ez - s t a c ko t 4 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a la n dt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s n e t w o r k s ，m o r ea n dm o r ep e o p l et a k ea t t e n t i o nt ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o f k sf o ri t ，s w i t h o u tr o u t i n g ，n e t w o r k i n ge a s ya n dc o n v e n i e n tt o e x p a n d l o c a t i n ga n dn a v i g a t e t e c h n o l o g yb a s e d o nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a sb e c o m et h ef o c u so fs o m e d e v e l o p e r s i th a sd e v e l o p e du n d e r g r o u n dm i n er e s c u es y s t e m s ，r e s i d e n t i a ld i s t r i c t s t o r a g ep a r k i n gs y s t e m ，a i r p o r tn a v i g a t i o ns y s t e m s ，l i b r a r yb o o k st r a c k i n gs y s t e ma n d o t h e ri n t e l l i g e n tl o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o n s y s t e m s m o v i n gt a r g e t s ，o b j e c t s0 r d e v i c e se x i s ti nt h e s es y s t e m s ，t h e yn e e dr e a l t i m ef e e d b a c ko nt h e i rs p a t i a ll o c a t i n g c o o r d i n a t e si n f o r m a t i o na n dg u i d a n c et ot h en e x ts p e c i a la c t i o n t h e r ei sa h i g h e rc o s t 1 0 n g e rr e s p o n s et i m e ，i n t e r a c t i v en o te n o u g hi n t e l l i g e n c e ，n o te n o u g hh i g hp o s i t i o n i n g a c c u r a c ya n do t h e ru n f a v o r a b l ef a c t o r s i nt h ec u r r e n ti m p l e m e n t a t i o no ft h e s e n a v i g a t i o ns y s t e m s t h i st h e s i si sb a s e do nt h e s er e a s o n s ，t od e s i g na n dd e v e l o pa l o w - c o s tm o b i l er o b o tn a v i g a t i o ns y s t e m ，i ti sas y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s z i g b e et e c h n o l o g yi so n eo fs h o r t r a n g ew i r e l e s sd a t ac o n l m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i e s i t sb a s e do ni e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r d ，w i t hf e a t u r e so f1 0 wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s h o r tt i m ed e l a ya n dl o w e rd a t at r a n s f e rr a t ea n ds oo n w i t ht h e g r o w i n gp o p u l a r i t yo fz i g b e et e c h n o l o g y , i th a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t si ni n t e l l i g e n t f a m i l i e s ，h o s p i t a lw a r dc a r e ，c a rc o n t r o la u t o m a t i o na n do t h e ra p p l i c a t i o n s t h u st h e l o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o nr e l a t e di s s u e sb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g ya r eg r o w i n g m o r ec o n c e r nb yp e o p l e t h es t u d yo fl o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nt h ez i g b e e w i r e l e s sn e t w o r ki nt h i st h e s i s ，d e s c r i b e dt h er e l e v a n tf e a t u r e so fz i g b e e t e c h n o l o g y , t h ec o m p o s i t i o no fn e t w o r ke q u i p m e n ta n dn e t w o r kt o p o l o g yi nd e t a i l s ，a n d a l s o i n t r o d u c e dz s t a c kp r o t o c o ls o f t w a r ed e v e l o p e db yt e x a si n s t r u m e n t sf o rt h ez i g b e e n e t w o r k ，i n c l u d i n ga no v e r v i e wo ft h es o f t w a r e ，t h es o f t w a r ef 锄e 、v o r ka n dt h e s o f t w a r ep r o c e s s u s i n gt h ea f o r e m e n t i o n e dp r o t o c o ld e v e l o p e da s y s t e mo fm o b i l e r o b o tl o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o n o nt h eh a r d w a r e ，m o b i l er o b o tc o n t r o lc h i p t l s e m e g a l 6m i c r o c o n t r o l l e rp r o d u c e db ya t m e l c o m p a n y , t h et h r e et y p e so fn o d e d e v i c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ku s e u s i n gd cm o t o rd r i v ei t sw a l k i n g ，t o t i sc c 2 4 3 0 c c 2 4 31w i r e l e s s c h i pm a i n l y c o n t r o lt h ed cm o t o rt u r n i n gt h r o u g ht h e i i i a b s t r a c t l 2 9 8 nc h i p ，a n dc o n t r o lt h ed cm o t o rs p e e dt h r o u g ht h eg e n e r a t i o no fp w m w a v e l a s td e v e l o pas e to fp cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e ，t h es o f t w a r ed e v e l o p e d b a s e do nq t 4p l a t f o r ma n dh a st h ef e a t u r eo fr u n n i n gc r o s s - p l a t f o r m o p e r a t i n g s y s t e ma n ds t r o n gt r a n s p l a n t a t i o n f i n a l l y , t h ep o s i t i o n i n gt e s ta n dn a v i g a t i o nt e s ta b o u tt h el o c a l i z a t i o na r i d n a v i g a t i o ns y s t e mw e r ec a r r i e do u ti n d e p e n d e n t l yi nt h i st h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h a t ： t h es y s t e mc a nm e e tt h eo r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a c h i e v et h eb a s i cp o s i t i o n i n g a n dn a v i g a t i o n ，w h i l et h es y s t e mi sal o wc o s ta n de a s yt oi m p l e m e n t a tt h el a s t , p u t f o r w a r ds p e c i f i ci d e a sa n dw o r k a b l es o l u t i o n sf o ri m p r o v i n gt h es h o r t c o m i n g so f t h i s s y s t e m k e yw o r d s ：l o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e m ，m o b i l er o b o t ，z i g b e e ，z - s t a c k ， q t 4 i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：j 争 签字日期：立竺! 色j 一 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名：皇寻l 签字日期：塑! ! ：鱼：2 一竹匆易 导师签名：之二二 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源和背景 1 1 1 课题来源 科学技术在微电子学领域、传感器领域、人工智能化控制领域计算机技术、 机械精密加工领域以及模式识别领域等相关方面取得的高速发展，使得移动机器 人相关技术取得了突飞猛进的提高。移动机器人定位导航技术也层出不穷，为其 发展提供了极佳的时机。移动机器人控制不仅在军事科技化方面有着特殊的应用 价值，而且在工业化生产、交通业运输、野外探测勘察、医疗紧急救援等领域都 有着广泛的应用前景。移动机器人在日常生活中的广泛使用，使得人们更加期待 拓展其应用范围以及发展其应用技术。 1 1 2 课题研究的目的和意义 机器人学中的相当重要的分支之一就不可或缺智能移动机器人。自从二十世 纪六十年代末期在斯坦福研究院开始了移动机器人的研究，尤其是进入二十一世 纪，移动机器人的相关研究更是取得了飞速的发展，其主要原因有两个方面：第 一个方面是，移动机器人有着它广阔的应用范围，从最初用于工业领域传统的工 业机器人发展到现在日常生活中的服务型机器人和智能化机器人。机器人的功能 也越来越多样化，他们的工作环境也由固定的工厂车间逐渐扩展到军事、太空、 海洋、家庭、医院和一些娱乐场所。另一个方面则是，科学技术的进步、各种先 进传感器的出现、多传感器信息融合技术以及智能方法的日臻发展完善，使得机 器人向着更高级更加智能化的方向发展川。 本文通过移动机器人移动机构设计和驱动及控制部分硬件电路设计，各种信 号传感器的接口电路设计和移动机器人导航上位机监控软件等，研发制作了一台 智能轮式移动机器人。同时通过无线传感器网络和z i g b e e 的应用，研究已知环 境下移动机器人的定位导航问题。 我们的最终研究目标是研制出适用于工厂及车间等中小型区域的智能定位 导航系统，即在需要时给在运动过程中的机器人引导路径，使其沿着正确的方向 到达目的地并完成特定任务，及时对发生故障的机器人定位并发出救援请求，等 待相关人员前来支援。由于其智能化处理和高效率的工作，由此也带来了十分可 观的经济效益。这也是本课题的研究最终意义所在，而本课题为目标的实现提供 了基本的硬件试验平台与可靠的数据分析。 第1 章绪论 1 2 国内外移动机器人导航现状 所谓移动机器人系统，是指能够通过各种传感器感知外界环境以及自身的状 态，实现在特殊的环境中面向目标的运动，并完成一定的作业功能的系统。移动 机器人所要解决的核心问题是机器人定位技术和机器人导航技术。移动机器人在 特定的环境中相对于全局坐标或局部坐标的位置信息及机器人本身的姿态，这即 为移动机器人的定位技术。而导航技术则是移动机器人通过传感器感知外界环境 和自身状态，并实现在已知环境下面向目标自主移动，这是移动机器人导航的基 本环节。定位研究的目标是在抵达目标后准确知道自身的位置信息，并为导航任 务的展开提供相关信息。导航研究的目标就是指机器人在得到指定的任务后在没 有人的干预下去移动并完成指定的任务。 移动机器人的研究开始于二十世纪六十年代末期，由来自斯坦福研究院的两 位研究人员n i l sn i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 携其他人等历时六年研制出的自主移动 机器人s h a k e y 。由于计算机技术的应用以及传感器技术的发展，七十年代末期， 关于移动机器人的研究出现了新的小高潮。历经不到十年时间，一股设计和制造 机器人的飕风席卷全球，各大著名公司纷纷为高校实验室和科研机构开发研制移 动机器人实验平台，这直接导致了移动机器人学出现了多个方向的研究分支。自 从进入二十世纪九十年代以来，由于人们需求的提高，开展了移动机器人更高层 次的以高水平的环境信息处理技术和高适应性的智能控制技术等为标志的研究 【2 】 o 移动机器人的国内外导航方式各种各样，常见的导航方式按其原理的不同主 要分为以下几个大类： 1 2 1 惯性导航【3 】【4 】 惯性导航是常用的最基本的导航方式之一，它的原理就是利用机器人上配备 的陀螺仪和光电编码器，测量机器人的加速度，自动进行积分运算，获得机器人 瞬时速度和瞬时位置数据。它工作时不依赖外界信息，不易受到干扰，是一种自 主式导航系统。然而，随着移动机器人航程的逐步增加，其定位的精度逐渐降低， 同时定位误差随定位精度的下降将会无限制地增加。通常采用卡尔漫滤波器来进 行滤波以减少因定位精度下降而带来的误差的影响以及降低光电编码器等产生 数据的噪声。 1 2 2 视觉导航【5 】【6 】【7 】 视觉导航是机器人模拟人的视觉来识别当前的环境信息进行导航。当前的视 觉导航中，应用最多的就是在移动机器人躯体上安装c c d 摄像头，这种导航方 式是基于局部视觉的，所有计算机及其外围设备和各种传感器都一并装在移动机 第1 章绪论 器人躯体上，图像识别和图像处理以及路径规划和距离估计都由机器人所携带的 计算机来完成，最终实现机器人的定位和接下来动作的规划【8 1 1 9 1 。 基于视觉的导航，有其独特的优势，具体体现在便宜易获得的传感器，较高 的测量精度，简单的操作流程，较大的信息获取量以及信息易于处理等优点。但 是图像信息处理计算量相对大，对计算机的性能配置要求较高，若处理得稍慢， 将严重影响系统的实时性，尤其是在移动机器人的运动速度较快时，这种劣势更 加明显。除此以外，视觉导航还易受光线的影响，在黑暗环境中，这种导航方式 将受到很大程度上的限制。 1 2 3 光反射导航 光反射导航是指依靠光的反射来间接测量距离。常见的用于光反射导航的光 源有激光和红外线，典型的应用就是激光传感器或红外传感器测距【1 0 】。 在多关节移动机器人避障系统中经常用到红外传感技术，用来检测机器人手 臂在运动的过程中碰到的各种障碍物。与c c d 视觉导航系统相比，它也具有成 本较低、结构简单、灵敏度高等优势。但是其角度分辨率低，需要在移动机器人 上安装光电开关接近传感器来探测路况，以便机器人在遇到突发障碍时能够进行 紧急避让。 光反射导航测距的优势明显，具体体现在较好的平行性、发出的光束较窄、 光束的散射小、同时测距方向上的分辨率较高等优点，但同时它的缺点也很明显， 就是特别容易受到机器人所处的环境等因素的干扰。因此需要采取特定的方法对 采集到的信号进行去噪处理，这是一个比较复杂的问题。此外，激光测距有其盲 区存在，因而单纯依赖激光进行导航可靠性不高，实现起来也不是那么容易。而 真正激光检测在工业方面的应用也通常只是在特定范围内的使用，如工业现场检 测等场合。 i 2 4 无线电导航 无线电导航也是移动机器人广泛使用的导航装置，指利用无线电引导机器人 沿着指定路线安全达到目的地的技术。导航与定位密切相关，连续定位实质上就 是导航。无线电导航主要利用电磁波在自由空间直线传播，传播速度恒定并且在 传播路线上遇到障碍物时会发生反射的特性。 无线电信号在不同的情况下，信号的强弱有很大的差别，这主要受到天线的 设计和电台信号发射方向不同的影响。利用此原理，通过测量无线电台发射信号 的时间、相伴、幅度、频率参量，即可确定移动机器人相对于导航台的方位、距 离( 差) 等几何参量，从而确定移动机器人与导航台之间的相对位置。 第1 章绪论 1 2 5 全球定位系统导航 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统是一个全球全天时天候高精 度的定位导航和时间传递系统。其原理是通过对四颗g p s 卫星同时进行伪距离 测量，计算出接收机的位置。移动机器人通过安装g p s 信号接收装置，接收位 置信息即可以实现自身的定位，室内和室外均可实现。宋爱国等【1 4 】利用g p s 全 球定位结合数字地形图，研究了机器人在野外环境作业的导航问题。h a d a 等【i 5 】 利用分布在室内各处的摄像机作为信号采集装置，仿照g p s 的工作原理，研制 出了一个室内g p s 系统( i n d o o r g p s ) 。 g p s 定位技术应用在测距、定位、导航和全球精密授时等方面，虽然目前已 成为世界上具有最强实用性和最广泛应用范围的系统【1 6 1 ，但在小范围的局部地区 定位导航系统中，它却具有精度欠高，成本较贵的缺点。 1 2 6 短距离无线网络导航 近年来，随着i t 产业的高速发展、网络的普及、家电的智能化以及单片机 强有力的功能拓展，无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接等词 频频映入眼帘。由于这些新兴技术具有强大的生命力和广阔的市场前景，无线通 信技术在国内外得到了广泛的应用。常见的无线网络技术有以下几种： ( 1 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 蓝牙是一种短距离的无线连接技术标准的代称，最早的研究始于爱立信，其 实质内容是建立通用的无线电空中接口及控制软件的公开标准。 蓝牙计划主要面向网络中各类数据及语音设备，使用无线微波的方式将它们 连成一个微微网，多个微微网之间亦可以互连，从而便捷的实现了各类设备间的 通信。它的工作频率在2 4 g h z ，有效范围大约在半径十米内。b l u e t o o t h 协议栈 需要2 5 0 k b 系统开销，间接增加了系统成本和集成复杂性。另外，b l u e t o o t h 对 每个微微网限制只能配置7 个节点，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。 ( 2 ) 红外线数据协会i r d a 红外数据协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 于1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、 i n t e l 等2 0 多家公司发起成立的。k d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技 术。一年后，首个i r d a 红外数据通讯标准发布，即i r d a l 0 它的传输速率只有 1 1 5 2 k b p s 。1 9 9 6 年，i r d a 发布了f i r ，其最高通讯速率能达到4 m b p s 的水平， 相比较以前有了质的飞跃。继f i r 之后，i r d a 又发布了v f i r ，通信速率高达 1 6m b p s 。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，红外通讯技术以其低廉的成本 和广泛的兼容性在小型移动设备上得到了广泛的应用。 ( 3 ) w i f i ( i e e e 8 0 2 1 1 ) w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ，又称8 0 2 1 1 b 标准，也是种无线 4 第1 章绪论 通信协议，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11 m b p s 。w i f i 技术与蓝 牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术，使用的频段为 2 4 g h z 附近的区域。但w i f i 优异的带宽需要较大的功耗，故多数便携w i f i 设备都需经常充电。i r d a 同时只能在两台设备之间连接，并存在有视距角度等 问题，这些缺陷限制了它在工业场合的应用和推广。 ( 4 ) 超宽频技术( u w b ) 超宽频技术( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无载波通信技术，又被称为脉冲无线 电，利用纳秒到微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。 u w b 通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在十米左右的范围内实 现数百m b i t s 至数g b i t s 的传输速率，具有抗干扰性强，发送功率小，传输速率 高，带宽极宽，消耗电能较小等优势，主要应用于室内通信。 超宽频( u w b ) 信号在1 0 d b 处的绝对带宽大于0 5 g h z 或分数带宽大于2 0 。 u w b 在无需授权机制下允许的通信频谱范围为3 1 1 0 6g h z 。 ( 5 ) 近距离无线传输( n f c ) 近距离无线传输n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 是由p h i l i p s 、n o 虹a 和 s o n y 三家公司主推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信 技术标准。n f c 可通过一个极小的、低成本的、只需少量能源的无线发射机， 在1 0 厘米的距离内实现。n f c 不同于r f i d 的是，它采用了双向识别和连接， 在2 0 c m 距离内工作于1 3 5 6 m h z 频段。 ( 6 ) z i g b e e 网络 z i g b e e 作为低速率控制网络设计所制定的无线传输标准，正逐渐被越来越 多的人采用。它是一种新兴的无线网络技术。具有低功耗和低成本的独特优势， 以及低延迟、长传输距离、强安全性和灵活的组网方式等特性，z i g b e e 正在不 断扩大其在工业控制、消费性电子设备、医用设备控制、家庭和楼宇自动化等领 域的应用。此外，从功率消耗、硬件成本、传输速率和工作频段等方面考虑，z i g b e e 技术与无线传感器网络相结合也受到越来越多的关注，本文即采用z i g b e e 与无 线传感器网络相结合的无线网络来实现定位导航。 5 第1 章绪论 表1 1 无线网络的比较与选择 种类z i g b e e 蓝牙w i - f i 单点覆盖距离 5 0 - 3 0 0 m1 0 米5 0 米 网络扩展性 自动扩展 无 无 复杂性 简单 复杂 非常复杂 传输速率 2 5 0 1 b p si h b p s1 t o l l m b p s 频段 8 6 8 聃h z 一2 4 g m z 2 4 g h z “ 2 4 g f z 网络节点数6 5 0 0 0 8 5 0 联网所需时间 仅3 0 毫秒高达l o 秒3 秒 一 终端设备费用低低i 蜀 有无网络使用赞 无无无 安全性 1 2 8 b it a e s 6 4 b i t ，1 2 8 b i t s s i b - 一 集成度和可靠性向向一般 使用成本低低一般 安装使用难易 非常简单一般难 1 3 本文的主要章节安排 本文主要研究基于z i g b e e 无线网络的移动机器人定位导航系统的开发。论 文通过对目前各种导航技术和无线定位技术的分析研究，并借鉴了无线局域网的 经典组网技术，利用r s s i 进行定位，实现了一个无线网络定位导航系统。全文 共分为六个部分：， 第l 章绪论 首先阐述了课题的研究背景，介绍了当前国内外移动机器人导航现状，对无 线网络作了简要的概述，探讨了z i g b e e 网络，最后总结了本文的主要工作和论 文的框架结构。 第2 章z i g b e e 技术和z s t a c k 协议栈 从z i g b e e 网络组成和协议结构两个方面入手，对i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议 标准进行了概述，并从应用的角度讨论了z i g b e e 技术的优越性。对z s t a c k 协议 栈进行了详细的介绍，总结了理解z s t a c k 协议栈的几个关键点。给出了利用 z s t a c k 协议栈进行应用开发的步骤。 第3 章移动机器人定位导航系统的设计 本章首先从总体上概述了定位导航系统的结构，随后介绍了t i 公司的无线 通信芯片c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 l ，并详细介绍了由这两种芯片搭建的网关、参考节点、 定位节点的设计，以及给予其供电的电源设计，也介绍了移动机器人本体设计和 6 第1 章绪论 驱动车轮运动的控制芯片，最后介绍了网关节点与上位机之间的串口通信电路设 计。 第4 章定位导航系统的软件开发 从电机的调速、转向和转角三个方面阐明了机器人行走的控制方法，同时详 细介绍了定位采用的技术以及定位算法，重点提到了c c 2 4 3 1 的定位引擎操作。 最后针对本系统开发了上位机监控软件来监测移动机器人的定位和控制其导航。 第5 章实验结果与分析 i e 针对本文所开发出的移动机器人定位导航系统，结合具体的测试环境，布置 了合理的参考节点，并在实际场地中测试定位导航准确性，做出误差分析，提出 误差产生的主要因素。 第6 章结论与展望 总结了本论文所做的工作，并指出论文所需提高和改进的地方，为以后的研 究指明了方向。 7 第2 章z i g b e e 技术和z s t a c k 协议栈 第2 章z i g b e e 技术与z s t a c k 协议栈 2 1 z i g b e e 及其特点 z i g b e e ( i e e e 8 0 2 1 5 4 ) 技术是最近发展起来的一种近距离、低复杂度、低 成本、低速率的双向无线通信技术。它被业界认为是最有可能应用在工控场合的 无线方式。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种设备之间的数据传输 以及有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据应用的场合。 它是一种无线连接，可工作在三个频段上，其中在全球流行的2 4 g h z 波段 最高传输速率可达到2 5 0 k b i t s ，它的传输距离在l o 米到7 5 米的范围内，并且 还可以继续增加其传输距离。 它采用跳频技术和扩频技术，可与2 5 4 个节点联网。节点可以包括各种终端 仪器和家庭自动化应用设备。 z i g b e e 技术主要具有以下几个特点： ( 1 ) 成本低：z i g b e e 技术通过大幅简化协议，不到蓝牙的十分之一，降低了 对通信控制器的要求，8 0 5 1 的8 位微处理器，全功能节点只需3 2 k b 代码，而 子功能节点则少至4 k b 代码。z i g b e e 同时又免协议专利费，因而成本相当低廉。 ( 2 ) 功耗低：z i g b e e 较低的数据传输率保证了其较低的发射功率，仅仅只有1 毫瓦，尤其是在无数据传输的时候启动休眠机制，更加减少了其功耗。可以说 z i g b e e 设备非常省电，正常情况下，1 个节点在两节五号电池的支持下就可以工 作不少于6 个月的使用时间，甚至最长使用时间能达到两年左右。 ( 3 ) 时延短：针对时延敏感性作了优化，通信时延以及从休眠状态激活的时 延大大缩短。无论是搜索设备、休眠激活，还是活动设备信道接入，其时延到在 毫秒级，典型的时间都不超过3 0 m s 。 ( 4 ) 低速率：z i g b e e 工作在不超过2 5 0 k b p s 的较低速率，分别在2 4 g h z 、 9 15 m h z 、8 6 8 m h z 提供2 5 0k b p s 、4 0k b p s 、2 0k b p s 的原始数据吞吐率，满足低 速率传输数据的应用需求。 ( 5 ) 可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时预留给需要固定带宽的通信业务 专用时隙，从而发送数据时避免了竞争和冲突。m a c 层采用的数据传模式为完 全确认模式，每个发送出去的数据包都必须收到接收方的确认信息，若出现问题， 需重新传递数据。节点模块之间自动动态组网，信息在整个网络中自动路由传输， 保证了信息传输的可靠性。 ( 6 ) 高安全：z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制 清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准的对称密码，以灵活确定其安全属 9 第2 章z i g a e e 技术和z - s t a c k 协议栈 性。 ( 7 ) 高容量：z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理 若干个子节点。单个星型网络最多可容纳1 个主设备和2 5 4 个从设备。一个区域 最多可同时存在1 0 0 个这样的网络。同时主节点还可由上一层网络节点管理，节 点最多可达到6 5 0 0 0 个。 ( 8 ) 免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗频段。全球2 4 g h z 、美 国9 1 5 m h z 和欧洲8 6 8 m h z 。 4 它本身的这些特点使得其在家庭和楼宇网络、工业控制、商业、传感器网络、 医疗系统、公共场所、农业控制、安保系统等领域有很大的发展空间。 2 2i e e e 8 0 2 15 4 协议栈和z i g b e e 协议栈概述 2 2 1i e e e 8 0 2 15 4 协议栈概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 是2 0 0 3 年提出的无线标准的安全网络技术，主要定义物理层 和m a c 层的协议。主要应用场合就包括传感器网络，针对的是低复杂度、低功 耗和低数据率的短距离网络，主要目标是延长普通小型供电电池的寿命至几个月 甚至若干年。 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络指在一个p o s 内使用相同无线信道并通过i e e e 8 0 2 1 5 4 标准相互之间通信的一组设备的集合。在这个网络中，由设备具有的通信能力， 将设备分为全功能设备( f f d ) 和精简功能设备( r f d ) ，f f d 支持任意类型的 拓扑结构，具有p a n 协调器的可能，能够同其它任一设备通话，执行完整的协 议栈。而r f d 则限制为星状拓扑结构或者作为点对点网络中的终端设备，它不 能作为p a n 协调器，配置精简的协议栈，执行简单的功能。r f d 之间不能直接 通信外，若r f d 之间要求通信需经过f f d 转发数据。 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络中，有个f f d 设备被称为p a n 网络协调器，是l r w p a n 中主要的控制器，一个网络中只能有一个p a n 协调器。它除了直接参与应用以 外，还需完成成员身份管理、链路状态信息管理和分组数据转发等任务。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义的l r w p a n 具有如下特点【r 7 】在不同的载波频率下 实现了2 0k b s 、4 0k b s 、2 5 0k b s 三种不同的传输速率；支持点到点和星型两种 不同的网络拓扑结构；有两种地址格式，其中1 6 位地址是由协调器分配的，6 4 位地址是全球唯一的扩展地址；基于d s s s 方法的准正交调制技术；采用半正弦 脉冲波形的偏移四相移相键控调制方式；支持冲突避免的载波多路侦听技术；采 用可选的时槽保障机制；支持确认机制以保证可靠传输；工作在i s m 频段上， 其中在2 4 g h z 波段上有1 6 个信道，在9 1 5 m h z 上有3 0 个信道，在8 6 8 m h z 上 有3 个信道；数据安全策略；低功耗消耗：信道能量检测；链路质量指示等。 1 0 第2 章z i g b e e 技术和z - s t a c k 协议栈 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络协议栈是基于开放系统互连模型( o s i ) 1 8 1 的，如图2 1 所示，每一层均实现一部分通信功能，并允许各自的高层控制接收状态。 u p p e rl a y e r s i e e e8 0 2 1 5 4s s c si e e e8 0 2 2l l c ，t y p ei i e e e8 0 2 1 5 4m a c i e e e8 0 2 15 48 6 8 9 1 5m h zp h yi e e e8 0 2 1 5 42 4 0 0m h zp h y 图2 1 i e e e 8 0 2 15 4 协议栈架构 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准只定义了数据链路层的m a c 子层和p h y 层。m a c 子层 为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。p h y 层由射频收发器以及底 层的控制模块构成。物理层定义了物理无线信道与m a c 子层之间的接口，提供 数据和管理服务。数据服务从无线物理信道上收发数据，管理服务维护相关数据 库。物理层数据服务的功能是激活和休眠射频收发器、信道能量检测、链路质量 指示检测、空闲信道评估以及数据收发。m a c 子层的功能是进行协调器信标桢 管理、支持和取消p a n 网络的关联操作、支持时槽保障( g t s ) 机制、使用 c s m a c a 机制访问信道，为不同设备的m a c 层间可靠传输提供支持。还为实 现适当的安全机制应用提供一些方法。 在m a c 子层之上的高层包括网络层和应用层，对于不同的高层协议，也可 以通过逻辑链路控制子层( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 以及特定服务聚合子层 ( s s c s ，s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 来访问m a c 子层。 2 2 2 z i g b e e 协议栈概述 z i g b e e 技术主要应用在短距离低速率无线通信网络方面，z i g b e e 是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的代名词，是z i g b e e 联盟制定了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 ，具有高可靠、 高性价比、低功耗的无线传感器网络技术标准。一个完整的z i g b e e 协议栈由物 理层、m a c 子层、网络层、应用汇聚子层和高层应用规范层组成。每一层为上 层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供除数据 传输服务外的所有其他服务。所有的服务都通过服务接入点( s a p ) 为上层提供 一个接e l ，每个s a p 都支持一定数量的服务来实现所需的功能。z i g b e e 协议体 系架构如图2 。2 所示l i 州： 第2 章z i g b e e 技术和z - s t a c k 协议栈 应用层1应用层n li 应用汇聚层 网络层 il i e e e 8 0 2 2 逻辑 链路控制类型l 其他逻辑 链路控制 l 标准 业务汇聚选定子层l i e e e 8 0 2 1 5 4 介质访问控制 l i 2 4 g h z f8 6 8 m h z 9l5 m h z 物理层 i物理层 图2 2z i g b e e 协议栈结构图 z i g b e e 协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理 层五大层组成，其中网络层以上的协议由z i g b e e 联盟负责，i e e e 负责制定物理 层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到z i g b e e 网络上，主要包括多 个业务数据流的汇聚和安全属性的设置等功能。网络层采用基于a dh o c 技术的 路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还要实现网络的自组织和自维护，以 最大程度地方便消费者使用，降低网络的维护成本。 2 3 z i g b e e 网络构成 2 3 1 z i g b e e 网络的设备类型 z i g b e e 网络支持i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的两种类型的物理设备 2 0 1 全功能设备 ( f f d ) 、精简功能设备( r f d ) 。f f d 和r f d 的区别主要是根据节点的功能不 同加以区分的，一个f f d 可以既可以充当网络中的协调器又可以充当路由器， 因此一个网络中应该至少含有一个