毕业论文-基于无线网络信号的机器人定位技术研究

基于无线网络信号的机器人定位技术研究摘要作为一种全新的信息获取和处理方式，无线传感器网络可以应用到广泛的领域内实现大规模监测和追踪任务。利用RSSI的定位只需较少的通信开销和较低的实现复杂度，因此它具有广阔的应用前景。本文详细分析了基于无线信号的定位技术在国内外的发展状况，在此基础上结合实际情况分析了各种无线信号定位技术的优缺点，提出了基于无线信号强度的机器人定位技术，分析了其测距原理，并对该技术的无线信号强度的获取、信号强度距离模型的建立、定位算法和定位过程等一系列问题进行了比较深入和系统的分析。在无线信号强度的获取方面：分析了微软的NDIS网络驱动规范，了解到了无线信号强度存在于系统对象标示符中，通过编制程序获取到了信号强度。在信号强度距离模型的建立方面：详细了解了传统距离模型，通过Matlab绘制曲线说明模型中的参数对该模型的影响，并在试验中建立了模型，知道了测距误差。在定位算法和定位过程方面：详细了解定位信息转换的方式，并设计了两种不同的定位算法，对他们的定位原理、定位方法和定位过程进行了详细说明。关键词：无线信号强度，RSSI，机器人定位I基于无线网络信号的机器人定位技术研究AbstractWirelesssensornetworks,anoveltechnologyaboutacquiringandprocessinginformation,havebeenproposedforamultitudeofdiverseapplication.TheReceivedsignalstrengthindicator(RSSI)locationtechnologyfeatureslowcommunicationover-headandlowcomplexity,soithasabrightfuture.Thispaperintroducesthedevelopmentandissuesrelatedtolocationtechnologybasedonwirelessnetworks,andanalyzesdifferentlocationtechnologies.Itadvancesalocationtechnologybasedonsignalstrengthwhichwillbeappliedonrobot,andanalyzesthetheoryofdistancemeasurementbasedonRSSI.Thetextanalyzesacquiringsignalstrengthandbuildingthemodelbetweendistanceandsignalstrength,andthelocationmethodandlocationprocess.Analysisofacquiringsignalstrength:analyzesMicrosoftsNDIS（networkdriverinterfacestandard）andknowthatsignalstrengthisinOID,bymakingprogramIacquiresignalstrength.Analysisofmodelbetweensignalstrengthanddistance:withthehelpofMatlabIbuildthemodelandanalyzethemodel,andknowtheerrorthroughexperiment.Analyzeoflocationmethodandlocationprocess:analyzetheoryoflocationmethodandintroducelocationprocess.Keywords:wirelesssignalstrength,RSSI,locationofrobotII基于无线网络信号的机器人定位技术研究目录摘要.IAbstract.II第一章前言.11.1课题来源.11.2研究意义.11.3国内外无线网络定位的发展及现状.21.3.1国外无线网络定位的发展及现状.21.3.2国内无线网络定位的发展及现状.41.4本文的主要研究内容.5第二章基于无线网络信号的定位技术选型分析.62.1各种无线网络定位分析.62.1.1基于电波入射角定位（Angleofarrival,AOA）.62.1.2基于电波传播时间定位（Timeofarrival,TOA）.62.1.3基于电波传播时间差定位（Timedifferenceofarrival,TDOA）.62.1.4基于无线网络信号强度的定位（Receivedsignalstrength,RSS）.72.2定位方法的确定.72.2.1RSSI介绍.72.2.2确定定位方法.82.3本章小结.8第三章基于无线网络信号强度的机器人定位系统设计.93.1RSSI定位分析.93.1.1RSSI定位介绍.93.1.2RSSI测距原理.113.2无线信号强度.133.2.1无线信道的探测.133.2.2无线网络信号强度的获取.143.2.3无线信号强度的分布.183.3定位信息的转换.22I基于无线网络信号的机器人定位技术研究3.4基于RSSI机器人定位系统整体设计.243.4.1定位系统硬件要求及确定.243.4.2定位系统定位算法设计.253.5本章小结.32第四章基于无线网络信号强度的测距实验.334.1实验平台.334.2实验环境.344.3测距实验.344.3.1实验目的.344.3.2实验方案.354.4测量结果分析.364.4.1方案一测量结果分析.364.4.2方案二测量结果分析.384.4.3方案三测量结果分析.394.5本章小结.40第五章基于无线网络信号强度的机器人定位实验.415.1定位算法选择.415.2基于RSSI的概率法实验.415.2.1实验方案.425.2.2实验结果分析.425.3本章小结.44第六章结论与展望.456.1结论.456.2技术经济性分析.456.3对进一步研究的展望.46参考文献.47附录.49致谢.52声明.53II基于无线网络信号的机器人定位技术研究第一章前言1.1课题来源本课题来源于国家863项目“基于多信息融合的机器人定位关键技术的研究”，本项目针对智能机器人自主定位的关键技术，提出了一种新的基于WRV（WLAN、RFID和Video）信息融合的机器人无线网络定位技术。研究的思路是在室内机器人视觉、无线网络、RFID（RadioFrequencyIdentification,射频识别）定位方法的基础上，将WRV（WLAN、RFID和Video）信息进行融合处理，其中无线网络负责无线通讯及大范围的定位，RFID负责小范围定位并与无线定位相互配合，在确定基本位置之后，视觉负责小范围定位并确定机器人位姿。研究综合使用三种方法的定位系统，以满足机器人定位的要求。1.2研究意义无线网络定位是利用无线传感器网络技术（WirelessSensorNetwork,WSN）将现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机融合为一体的新型网络定位技术，由于其具有巨大的应用前景而被世界各国广泛认同。移动机器人是脱离人的直接控制，通过遥控、自动或半自动进行移动的物体，因此移动机器人系统应该是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。移动机器人有着强大的计算能力和机动性，然而其感知能力的局限性限制了它的发展。无线传感器网络不仅可以为移动机器人提供全局的实时感知能力，对环境进行连续的、大范围的检测，还可以作为通讯和计算的媒介，提高路径最优的能力。因此，集成了机器人的无线传感器网络系统，结合了二者的优势，使二者相互协作，既增强移动机器人的感知能力，也提高了传感器网络对环境的控制力。与传统的机器人定位技术相比，基于无线网络传感器网络技术的机器人定位技术有以下优点：组建网络快速便捷；成本低廉；功耗低；去掉了随身的载体线路，可以方便、快速、灵活定位；网络覆盖面积大，可扩大机器人的运动范围；1基于无线网络信号的机器人定位技术研究操作人员可通过无线网络操纵机器人进入一些复杂的环境下进行作业。由于基于无线网络传感器网络技术的机器人定位技术具有以上特点，所以基于无线网络信号定位的机器人可以代替人在复杂和危险环境下完成一些任务，因此这种机器人在导航、野外危险作业、防化、防爆等方面有很大的应用前景。因此对无线网络定位技术在机器人定位上的理论研究，探索其在实际应用中的可能性，不但可以推进无线网络定位关键技术的发展，而且可以拓展其应用范围。1.3国内外无线网络定位的发展及现状随着IEEE802.11无线网络的发展，无线通信和无线网络技术进入了飞速发展阶段，无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN）、GSM等无线通信网络得到了迅速普及。在这种背景下许多学者纷纷提出无线网络上相关的应用技术，而对于使用无线网络进行定位便是一个新兴话题。无线信号具有辐射整个空间的特点，而空间中的定位不仅可以帮助使用者辨识方位，并可以提供用户所处位置的相关信息。国内外都先后在无线网络定位方面进行研究，并取得了一定的成果。1.3.1国外无线网络定位的发展及现状无线网络具有高速通信、部署方便的特点，基于无线网络的定位技术研究就是在这种背景下发展起来的。国外无线网络定位技术研究由来已久，最早研究的定位技术的目的是为了服务于军事。其中最著名的当数全球定位系统（GlobalPositionSystem,简称GPS）。如下页图1-1所示，GPS的空间卫星由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。工作卫星分布在6个轨道面内,每个轨道面分布有34颗卫星。卫星轨道面相地球赤道面的倾角为55度,各轨道面升交点的赤径相差60度,在相邻轨道面上,卫星的升交距相差30度。轨道平均高度约为20200m,卫星运行周期为11小时58分。GPS导航系统的基本原理是通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。GPS具有全球连续覆盖、导航定位精度高、速度快、抗干扰能力强等优点，目前已被广泛运用。由芬兰赫尔辛基大学开发的Ekahau，是在IEEE802.11b无线局域网络环境下，2基于无线网络信号的机器人定位技术研究开发了一种运用接收信号强度(RSSI)进行位置检测的系统。通过事先记录在数据库中某些特定位置所收到信号的强度(receivedsignalstrengthindicator,RSSI)，在系统实际使用时，利用当时所收到的信号强度，辅以统计的条件机率来判断使用者所在位置。该系统采用三个基站，无须使用专用基站，安装软件便可实现位置检测功能。此技术无须购买专用硬件，大大节省了应用时的成本。而且，不光支持目前比较流行的802.11a协议，它也同时能够在他网络中使用。图1-1GPS系统微软雷德蒙研究院的无线网络研究组于2000年研究的RADAR实验系统中,采用RSS（Receivedsignalstrength,接收信号强度）作为构建信号空间的基本信息，主要是架构在IEEE802.11无线网络的环境之下，并且不需要使用特殊的硬件装置。其定位方式是由每个基站定期广播信标(beacon)信号，由移动结点（配备无线网卡的笔记本计算机、PDA等）所收到的信号强度特性来做环境分析，来估计该移动结点所在位置。RADAR的定位法可分为两个阶段：离线训练阶段和在线定位阶段。在离线训练(off-line)的阶段，先对要进行定位的场地选择多个参考点，通过测量和数学模型分析的方式，找出各点的信号强度数据，把无线接入点(AP)上所收到的信号强度制成表格，作为所谓的无线电地图。在线定位(on-line)阶段，由移动结点传回在目标场地中侦测到的各基站的信号强度，而系统用此测3基于无线网络信号的机器人定位技术研究量值与第一阶段中所建立的场地信号模型进行分析比对，找到该移动结点最适当的估计位置。RADAR的基本算法称为NNSS(nearestneighborinsignalspace)，也就是对于所有最近点的对比采取最小平方法，选取最小值作为结果。玛丽兰大学正在研究中的一个基于WLAN的定位系统叫Horus。Horus系统同样采用RSS作为构成信号空间的基本元素。Horus和RADAR的不同之处在于Horus在信号空间的建立中引入了概率模型。Horus系统在预先选定的参考点上,采集并记录下AP（AccessPoint,接入点）的RSS数值。但Horus不对全部采样值进行平均或者中位数处理,而是形成每个AP的RSS值在该点上的直方分布图,并将直方分布数据存储在强度地图中。通过采用概率模型,Horus系统给出的实验数据宣称其定位精度在大于90%的几率下达到2.13m以内,并且计算量较低。1.3.2国内无线网络定位的发展及现状相比于国外而言，我国的无线网络定位技术研究起步较晚，近年来我国研究的较为著名的定位系统是北斗卫星定位系统。北斗卫星定位系统是我国近年来来建立的区域导航定位系统。该系统由四颗（两颗工作卫星、2颗备用卫星）北斗定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端三部分组成（如下页图1-2所示）。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒（ns）的同步精度，北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。它的工作原理是：“北斗一号”卫星定位并计算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高度值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。北京航空航天大学研究的基于无线局域网的定位系统Weyes。Weyes同样采用RSS作为信号空间的基本采样值,但是和RADAR和Horus不同的是,Weyes的信号分布图采用差值模型对RSS预先进行处理,形成RSS差值,然后在RadioMap中保存差值模型处理后的RSS差值序列作为信号空间的参照量。Weyes不直接采4基于无线网络信号的机器人定位技术研究用RSS,而采用差值模型。获取RSS差值的原因是因为RSS变量本身在获取过程中引入了由于采集设备的特性带来的误差,并且从实际测试结果发现，该设备引入误差值在不同设备之间差别较大最坏情况下,该误差等效于超过20mRSS差值。Weyes引入差值模型的目的在于消除RSS中的设备引入误差,从而使建立的信号空间与设备类型无关。因此,Weyes系统研究的重点是基于开放WLAN环境下的定位技术。图1-2北斗卫星定位系统1.4本文的主要研究内容本文研究内容主要包括：在研究国内外大量基于无线网络定位的定位方法基础上，分析基于无线网络信号强度的定位方法（又称RSSI定位法），研究这种定位方法的原理和实现过程；编制出读取强度的程序。在大量实验基础上，研究基于信号强度的定位方法和定位过程，从而设计出一种可行的、符合实际应用需要的基于RSSI的机器人定位系统。5基于无线网络信号的机器人定位技术研究第二章基于无线网络信号的定位技术选型分析无线传感器网络中出现的大多数定位包含两个步骤：（1）节点间的距离（或角度）测量；（2）定位计算。目前常用的测量节点间距离或角度的技术有：基于电波入射角（Angleofarrival,AOA）；基于电波传播时间（Timeofarrival,TOA）；基于电波传播时间差（Timedifferenceofarrival,TDOA）；基于信号强度（Receivedsignalstrength,RSS）。2.1各种无线网络定位分析2.1.1基于电波入射角定位（Angleofarrival,AOA）基于电波入射角的定位是利用天线侦测行动装置收到信号的角度，采用一定的算法确定由角度所决定的方位线的交点，从而为被测移动点的位置作进一步定位。该定位技术可通过天线阵列或多个接收器组合实现，除定位外，还能提供方向信息。目前这项定位技术面临的困难是：容易受到外界噪声、信号多重路径的影响，另外，天线架设的最佳化考虑也是一大问题。同时，AOA需要额外硬件，可能无法满足传感器节点对硬件尺寸和功耗的要求。2.1.2基于电波传播时间定位（Timeofarrival,TOA）基于电波传播时间定位是利用信号在发送端与接收端之间传送所花时间计算出两者的相对距离。适用该技术的典型定位系统式GPS（全球定位系统），GPS系统需要昂贵、高耗能的电子设备来精确同步卫星时钟。因此该定位技术的缺点在于时间的测量上，需要有非常高的精确度，同时发送端和接受端的时间要能精确同步。所以这种定位技术会受到硬件尺寸、价格和功耗限制。2.1.3基于电波传播时间差定位（Timedifferenceofarrival,TDOA）通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动结点的位置，降低了时间同步要求，根据信号到达时间差，移动结点位于以两个基站为焦点的双曲线上，要确定移动结点的位置至少需要三个基站，建立两个双曲线方程，两个双曲线的交点即为移动结点的二维位置坐标。这种定位技术的实现一般是在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，在发射端两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的6基于无线网络信号的机器人定位技术研究巨大差异在接收端通过记录两种不同信号到达时间转化为距离。该技术的测距精度较高，可达到厘米级。但是容易受到超声波传播距离有限的限制2.1.4基于无线网络信号强度的定位（Receivedsignalstrength,RSS）基于无线网络信号强度的定位方法是利用无线网络信号传播规律进行定位的定位技术。无线信号传播存在以下规律，接收方测得的信号强度越强，发送方距离接收方往往越近，接收到的信号强度越弱，发送方距离接收方往往越远。通过侦测不同位置点所收到信号强弱的方式，做到定位的功能。该技术主要使用RF（RadioFrequency,无线频率）信号。因为传感器节点本身具有无线通信能力，而且无需额外的硬件，故其是一种低功率、廉价的测距技术。芬兰赫尔辛基大学开发的Ekahau，微软雷德蒙研究院研究的RADAR实验系统，北京航空航天大学研究的定位系统Weyes都采用了这项技术。与其它几种测距方式相比，基于无线网络信号强度的测距具有以下特点：对硬件没有过高的要求，只需要一些廉价的硬件就可满足要求；而且没有信号传播距离的限制。2.2定位方法的确定基于无线网络信号强度的测距是一种低功率、廉价的测距技术，RSSI（Receivedsignalstrengthindicator,接收信号强度显示）定位技术就是一种基于信号强度的定位技术，它是通过对接收信号强度处理从而实现对移动节点进行定位的一种新技术。这种技术有广阔的发展前景和很大的研究空间。2.2.1RSSI介绍RSSI即是接收信号强度显示（Receivedsignalstrengthindicator）。是无线信号接收和测量的一种尺度。定义RSSI的初衷是给无线网卡的微代码和驱动程序内部使用。当无线网卡需要传送一个包时必须首先确定无线信道是否空闲，如果此时RSSI低于信道空闲阈值，网卡芯片就认为该信道没有被其他用户占用。当无线用户漫游时，测量RSSI值可以用来判断是否需要执行切换。RSSI的测量是在反向通道基带接收滤波器之后进行的。为了获取反向信号的特征，在RSSI的具体实现中做了如下处理：在104us内进行基带IQ功率积分得到RSSI的瞬时值，即RSSI（瞬时）=sum（I2+Q2）；然后在约1秒内对81927基于无线网络信号的机器人定位技术研究个RSSI的瞬时值进行平均得到RSSI的平均值，即RSSI（平均）=sum（RSSI(瞬时）)/8192，同时给出1秒内RSSI瞬时值的最大值和RSSI瞬时值大于某一门限时的比率（RSSI瞬时值大于某一门限的个数/8192）。由于RSSI是通过在数字域进行功率积分而后反推到天线发射端得到的，反向通道信号传输特性的不一致也会影响RSSI的精度。在空载下看RSSI的平均值是判断干扰的最主要手段。对于新开局，用户很少，空载下的RSSI电平一般小于-105dBm。在业务存在的情况下，有多个业务时RSSI平均值一般不会超过-95dBm。从接收质量FER上也可以参考判断是否有干扰存在。通过以发现是否存在越区覆盖而造成干扰，也可以从与手机接收功率来判断是否有干扰。对于外界干扰，通过频谱仪分析进一步查出是否存在干扰源。2.2.2确定定位方法基于RSSI的定位无需额外的硬件，利用对接收无线信号的强度判断，推导收发节点间的距离。因此可以考虑将这种定位技术用在机器人定位上，预想在需要定位的空间中布置一定数量的AP点（例如无线路由器），机器人携带强度读取设备，通过接收强度和程序对强度的处理实现定位，因为无线路由器信号可以充满整个定位空间，而且这种定位需要的硬件比较廉价，因此作为机器人定位方式有广阔的前景。2.3本章小结本章分析了基于不同变量的无线网络定位，阐述其优点和缺点，以及定位中所存在的问题；详细阐述了RSSI定位技术，并预想将RSSI这种基于无线信号强度的定位方式运用到机器人定位中。8基于无线网络信号的机器人定位技术研究第三章基于无线网络信号强度的机器人定位系统设计随着无线网络发展和普及，许多学者纷纷提出无线网络上相关的应用技术，使用无线网络定位便是一个新兴话题。空间中的定位不仅可以帮助使用者辨识方位，并可以提供用户所处位置的相关信息。室内空间的无线网络定位可以应用到许多方面，例如室内服务机器人的定位，又如卖场的商品信息、博物馆内的馆藏介绍、或是校园中的导游系统。在室内定位的空间中，可以在适当的位置架设802.11规格的无线AP，并由使用者手持的移动装置如移动的笔记本、PDA等，接收室内空间中各AP的信号强度，并将这些信息收集起来传回专司定位的服务器以计算用户的位置，这样定位系统不仅可以得知用户的位置，并可依用户目前所处在的位置提供增值服务或位置其它相关信息。如仅需要位置信息，收集各AP信号强度之后的定位工作也可在移动装置上实现。无线网络定位系统可以用在室内环境与室外环境。虽然两个系统的应用目的大同小异，但技术上却因为室内环境摆设复杂、精密度要求较高，所以在实际操作上相对困难许多。本章针对室内环境下无线网络定位的应用进行了完整的论述，包含在IEEE802.11的无线网络环境中如何正确取得来自各个AP(AccessPoint)的信号数据、对信号数据的处理，以及实时定位时采用的算法分析等几个主要方面。3.1RSSI定位分析3.1.1RSSI定位介绍RSSI（Receivedsignalstrengthindicator,接收信号强度显示）定位是一种利用无线网络信号强度进行定位的定位方法。研究表明，无线信号传播存在以下规律：接收方测得的信号强度越强，发送方距离接收方往往越近，接收到的信号强度越弱，发送方距离接收方往往越远。因此通过测量接收到的信号强度可以推算出移动台到基站的距离。在无线局域网覆盖的范围内，无线信号强度值的分布也有此规律。但是因为无线信号在传播过程中的反射等因素，所以其强度的分布不是线性的，无法使用准确的数学模型来进行描述。RSSI定位的实现过程主要由两步组成：1.如图3-1所示，在试验环境中布置AP（AccessPoint,无线访问节点）点，通常是无线路由器，已知AP点的发射功率，9基于无线网络信号的机器人定位技术研究在接收节点（通常是带有无线网卡的笔记本）通过程序测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验得到信号传播模型将传播损耗转化为距离。图3-1RSSI定位示意图2.因为AP点的位置预先已经知道并且在试验过程中是固定的，在得出AP点和接收点的距离之后，就可以通过算法进一步知道接收点的位置，即实现接收点的定位。整个测距定位流程如图3-2流程图所示。该技术使用的传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种组网简单的定位技术。开始布置AP点测量强度并计算距离通过算法对接收点定位结束图3-2RSSI定位流程图10基于无线网络信号的机器人定位技术研究3.1.2RSSI测距原理RSSI定位原理主要是基于通过无线信号强度对距离的测量：AP点的位置是已知的，通过信号强度计算出AP点与接收点之间的距离，从而实现对接收点的定位。无线信号对距离的测量主要是通过功率计算实现的，无线信号的发射功率和接收功率之间的关系可以用公式（3-1）表示：PPR=S/r（3-1）n（P是无线信号的接收功率，P无线信号的发射功率，r是AP接入点和接收点之间的RS距离，n是传播因子，数值大小取决于无线信号传播的环境）对公示（3-1）两边取对数可得公式（3-2）：10nr=PP（3-2）lg10lg（S/）R节点的发射功率是已知的，将发射功率代入公式（3-2），并令10lgP=A得S到公式（3-3）：10lgP10lgR=Anr（3-3）式（3-3）的左半部分10lgP是接收信号功率转换为dBm的表达式，因此可R以将公式（3-3）写成公式（3-4），其中A可看作信号传输1m远时接收信号的功率。PR(dBm)=10nlg（3-4）Ar由公式（3-4）可以得出：常数A和n的数值决定了接收信号强度RSSI和信号传输距离的关系。在不同的环境中，A和n所取的值是不同的。先来分析一下这两个参数变化时，信号强度和传输距离的之间的关系。首先假设n不变（这里我们取n=1.5），A变化，也即是假设环境传播因子不变，发射功率变化，得到如11基于无线网络信号的机器人定位技术研究下页图3-3所示的曲线图。从图可以看出直观的看出：在不同的初始发射信号功率下RSSI与传播距离之间关系相似，即都呈现出类似于对数函数模型的衰减；距离发射源近时信号衰减很快，距离远时信号呈现出缓慢衰减的趋势；发射点的发射功率大时，衰减变化趋势相对缓慢。因此我们可以得出结论：发射功率大时，信号传播的距离就越远，为了使信号衰减较小且能传播比较远的距离，可以适当增大发射点的发射功率。图3-3A变化时RSSI值与距离的关系曲线其次假定A不变，n变化的话，可以得出n变化时RSSI与信号传播距离的关系，如下页图3-4所示。由图可以看出，当n取值越小时，信号在传播过程中衰减越少，信号传播距离越远。因此，良好的传播因子n特性，增加发射信号功率都能增加信号的传播距离。传播因子n的大小主要取决于无线信号在空气中的衰减、反射、多径效应等干扰，如果环境中干扰较小，那么传播因子n值就越小，信号传播距离越远，无线信号的传播曲线越接近于理论曲线，基于RSSI的测距就12基于无线网络信号的机器人定位技术研究会越精确。图3-4n变化时RSSI值与距离的关系曲线3.2无线信号强度在无线局域网的标准IEEE802.11中,无线网卡或AP的电路能够测量RF(RadioFrequency,发射频率)值,这个值即为接收信号强度指示(ReceiveSignalStrengthIndicator,RSSI)，即为通常所说的无线信号强度。定义RSSI的初衷是给无线网卡的微代码和驱动程序内部使用。当无线网卡需要传送一个包时必须首先确定无线信道是否空闲，如果此时RSSI低于信道空闲阈值，网卡芯片就认为该信道没有被其他用户占用。当无线用户漫游时，测量RSSI值可以用来判断是否需要执行切换。3.2.1无线信道的探测IEEE802.11无线局域网有两种信道探测的方法：主动探测和被动探测。主动探测模式下，无线网卡在每个可用信道上广播发送proberequest帧，AP给出响应，无线网卡在收到的响应帧里面找出信号强度最强的那个AP，向其发送建立连接13基于无线网络信号的机器人定位技术研究的请求，一旦连接建立，除非当前AP的信号强度很弱，需要执行切换，否则无线网卡不会在所有信道上发送probe（探测）帧；被动探测模式下AP广播发送beacon帧。由802.11的信道探测机制可知，存在两种获取RSSI的方式：（1）由移动结点测量proberesponse帧的信号强度，（2）由AP测量proberequest帧的信号强度。号衰减比移动结点稳定，因此我们采取第一种测量RSSI的方式。需要测量时，由测量程序强制无线网卡在所有可用信道上广播发送proberequest帧，测量AP响应AP的发射功率通常比移动结点高，信帧的信号强度，并将测量结果交给测量程序。3.2.2无线网络信号强度的获取获取接收信号强度RSSI是实现无线信号强度定位的第一步，也是建立定位模型实现定位的关键。要想获取无线网络信号强度就要从了解网络驱动程序开始。1.NDIS为了提高编写网络驱动程序的效率，使得各种协议驱动程序的编写独立于各种网卡，微软创建了一个网络驱动程序接口规范，即NDIS(NetworkDriverInterfaceSpecification)。NDIS的设计目的是通过将不同的协议从网络接口卡上拆除，使得用户可以访问不同的协议。这个规范为原本复杂的网络驱动程序的编写框架提供了一组API函数，可以通过接口NDIS.sys的调用。它为Windows环境下网络驱动程序的开发带来许多方便。编写符合NDIS规范的驱动程序时，只要调用NDIS函数，而不用考虑操作系统的内核以及与其他驱动程序的接口问题，为操作系统对不同网络的支持提供了方便。NDIS定义了网卡或网卡驱动程序与上层协议驱动程序之间的通信接口规范，它屏蔽了底层物理硬件的不同，使上层的协议驱动程序可以和底层任何型号的网卡通信。NDIS网络驱动程序结构如下图3-5所示，从图中可以看出，NDIS是网卡与网卡驱动程序以及与上层驱动程序之间的通信接口，它为不同的驱动程序提供了不同的接口函数，从而实现了网卡驱动程序与应用程序之间的通信。14基于无线网络信号的机器人定位技术研究应用层用户模式协议驱动程序内核模式N中间驱动程序DIS网卡驱动网卡图3-5NDIS网络驱动程序结构NDIS支持三种类型的网络驱动程序：（1）网卡驱动程序（NICdrivers）。网卡驱动程序是网卡与上层驱动程序通信的接口，它负责接收来自上层的数据包，或将数据包发送到上层相应的驱动程序，同时它还完成处理中断等工作。（2）中间驱动程序（Intermediateprotocoldrivers）。中间驱动程序位于网卡驱动程序和协议驱动程序之间，它向上提供小端口（Minport）函数集，向下提供协议（protocol）函数集，因此对于上层驱动程序而言，它是小端口驱动程序