基于MESH无线网络的机车远程控制系统车载单元设计--毕业设计开题报告

北京交通大学毕业设计（论文）开题报告题 目： 基于MESH无线网络的机车远程控制系统车载单元设计 文献综述：1. 国内外研究现状地下采矿由于其恶劣的作业环境、不安全的诸多因素，多年来一直是人们关注的焦点，特别是随着地层深度增加，采矿条件愈来愈恶劣，对人的健康与安全威胁也愈来愈大刺激其向自动化、智能化的方向发展。随着信息技术的发展，以计算机及无线网络为代表的信息技术不断渗透到采矿行业，尤其是无线Mesh网的应用引起采矿自动化技术的不断变革。地下无轨机车智能化研究以下内容：通过安装各种复杂的电子设备来获取环境的信息，基于MESH等无线网络进行通信实现车联网，以达到机车的遥控驾驶，自主导航，障碍自动避让及故障诊断等目的。（1）国外地下铲运机车研究情况国外地下铲运机车的发展经历了视距遥控、视频遥控直到今天的远程遥控、半自动与自动控制阶段；相继诞生了一批著名的铲运车制造公司，如美国的Wagner 公司、德国的G.H.H 公司、荷兰的Sandvik Tomrock 公司；积极推广和应用无轨化、大型化、液压化、节能化、自动化的地下采掘设备。（2）国内地下铲运机车研究情况国内铲运机车生产技术日趋成熟，逐渐形成了系列化、专业化的产品模式，国产铲运机车国内市场份额加大并已开始走向国际。一些企业（如金川集团机械制造有限公司、北京安期生技术有限公司）和高校在矿山信息化、矿山定位、机车导航等方面也取得了一定的成绩。2. 定位与导航方法（1）常用的定位技术有RFID射频识别定位、ZigBee定位、PHS定位、GIS地理信息系统定位、WiFi定位及RSSI定位等。 （2）车辆导航技术主要有GPS（全球定位系统）卫星导航、机器视觉导航、光检测导航、激光导航、超声波导航、寻线导航等。3. 本设计研究内容本设计内容包括地下无人铲运机车在MESH无线网络下自主导航及定位的方案设计（包括方案总体框架、算法选择、RSSI定位处理等），传感器选型，数据采集部分编程，控制算法（PID）研究，制作自主寻线行走的模型小车实现PID算法及设计测试方案完成实验室条件下无人铲运机车自主导航的测试。主要参考文献：1Raniwala A, Chiueh T. Architecture and algorithms for an IEEE 802.11-based multi-channel wireless mesh networkC/ INFOCOM 2005. 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings IEEE. IEEE, 2005, 3: 2223-2234.2郑丁. 无线Mesh网络关键技术研究D. 中南大学, 2009.3王华, 李静静, 何振等.无线Mesh网络技术研究J.南京信息工程大学学报:自然科学版, 2010, 2(4): 332-336.4王玮, 郭成城, 李松. 无线Mesh网络在矿井通信中的应用J. 计算机工程, 2008, 34(19): 130-132.5冯小龙. 矿井无线Mesh网络关键技术及应用D. 中国矿业大学, 2011.6卢君. Mesh技术在矿井定位系统中的应用J. 中国设备工程, 2012 (9): 50-52.7杨超,陈树新,刘立.反应式导航在地下自主行驶铲运机中的应用J.煤炭学报,2011,36(11):1943-1948.8石峰,顾洪枢,战凯等.地下无轨车辆自主导航控制器的研究J.矿冶,2010,19(4):79-84.9胡克维. 自动导引小车 AGV 的导航和避障技术研究D. 浙江大学, 2012.10梁少波. 地下无轨铲运车导航技术研究 D. 成都: 电子科技大学机械电子工程学院, 2009.11Barawid Jr O C, Mizushima A, Ishii K, et al. Development of an autonomous navigation system using a two-dimensional laser scanner in an orchard applicationJ. Biosystems Engineering, 2007, 96(2): 139-149.12Xu J, Liu W, Lang F, et al. Distance Measurement Model Based on RSSI in WSNJ. Wireless Sensor Network, 2010, 2(8).13Wang H, Wan J, Liu R. A novel ranging method based on RSSIJ. Energy Procedia, 2011, 12: 230-235.14Zheng J, Wu C, Chu H, et al. An improved Rssi measurement in wireless sensor networksJ. Procedia engineering, 2011, 15: 876-880.15王伟, 陈岱, 周勇. 基于测距修正和位置校正的 RSSI 定位算法J. 计算机工程与设计, 2011, 32(2): 409-412.16戴立伟, 李向阳, 程赟. 无线传感器网络的 RSSI 定位技术研究J. 计算机工程与设计, 2009 (19): 4395-4397.17Li Y, Ang K H, Chong G C Y. PID control system analysis and designJ. Control Systems, IEEE, 2006, 26(1): 32-41.18Zhong J. PID controller tuning: A short tutorialJ. class lesson), Purdue University, 2006.19 Semiconductors NXP. LPC17XX User manualJ. 2012-12-02. http: www.nxp. com, 2010.研究方案：1.理论基础无线Mesh网络（Wireless Mesh Networks，WMN）由路由器（Mesh Routers）和客户端（Mesh Clients）组成，也叫无线网状网或无线多条网，是通过无线链路把固定的和移动的节点连接起来构成的一个多跳的移动自组织网络，它是一种与传统无线网络完全不同的无线技术，作为解决“最后一公里”的重要网络结构。无线Mesh网络可以说是广域网WLAN和点对点模式（Ad-hoc）两种网络的结合体，它融合了两者的优势，是一种组网方便、支持多跳、高容量高速率的网络，可以很方便地提供健壮的、可靠的网络覆盖。无线Mesh 网络具有以下特点：（1）易于安装和快速部署；（2）多跳的结构；（3）支持Ad-hoc组网方式，具备自形成、自愈和、自组织能力；（4）支持非视距传输（NLOS）；（5）高带宽与稳健；（6）自动平衡负载；（7）自动配置与自动发现。无线Mesh网络专用的路由协议有多射频链路质量资源路由（MR-LQSR）协议、可预测的无线路由协议（PWRP）、单收发器多信道路由协议（MCRP）、高吞吐率路由（SrcRR）协议、射频感知路由协议（RARP）。基于无线Mesh能够自动调整拓扑并维持连接，可采用灵活的多跳传输，随需扩展，因此该网络结构更能适应矿井下环境恶劣、组网复杂的特殊性，从而为井下自主导航、定位提供更可靠的技术支持。PID控制算法PID 是一个闭环控制算法，因此要实现PID 算法，必须在硬件上具有闭环控制，即反馈。比如控制电机的转速，就得有测量转速的传感器，并将转速反馈到控制路线上。PID 是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法，但并不是必须同时具备，也可以是PD，PI，甚至仅有P的算法控制。对于闭环控制的一个最简单的想法是就只有P 控制，即将当前结果反馈回来，再与目标相减，为正的话，就减速，为负的话就加速。比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：（1）比例，反应系统的当前偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；（2）积分，反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高系统无差度，若有误差，积分调节就进行，直至无误差；（3）微分，反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。2.研究方法首先查阅大量文献，了解无线Mesh网络、自主导航定位及PID控制的理论知识，调研自主导航车（Auto Guided Vehicle，AGV）及地下无人铲运机车自主导航及定位的方案。建立系统框架方案，将整个系统分成若干的部分，再进一步细化各部分的具体实现方案。在综合分析提出的若干方案后选取最可行的方案，并对可能出现的问题提出质疑，寻找解决方法，在解决问题中一步步完善方案。搭建模型，对方案进行实验测试。最后进行现场实际环境下的测试。3.研究步骤（1）查阅文献掌握无线Mesh网络、自主导航定位及PID控制的理论知识；（2）调研自主导航车（AGV）及地下无人铲运机车自主导航及定位的方案；（3）学习LPC1768微控制器及其开发环境Keil Vision4，掌握Source Insight程序编辑器的使用；（4）掌握基于Altium Designer平台的电路设计流程与方法，能够运用Altium Designer设计电路；（5）方案设计、改进、确定，及相关传感器选型；（6）学习传感器相关接口协议，能够驱动传感器获取采集的数据；（7）PID控制算法研究模型小车相关电路设计、制作及模型成型；（8）运用模型小车实现并研究PID控制算法；（9）实验室条件下搭建环境测试无人铲运机车自主导航整体方案；（10）完整的设计研发报告及规范的论文写作。4. 预期成果（1）设计出地下无人铲运机车自主导航及定位的完整可行方案；（2）实现传感器数据的采集；（3）设计并制作出能够寻线自主导航的模型小车；（4）运用模型小车实现PID控制算法；（5）设计出实验室条件下地下无人铲运机车自主导航及定位的测试方案，完成系统整体测试。 毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1方案调研及理论知识学习2014.02.212014.03.07 2LPC1768与其开发环境Keil、 编程工具Source Insight及 Altium Designer电路设计软件的学习 2014.03.082014.03.213方案设计优化及传感器选型2014.03.222014.03.254传感器驱动、标定，实现数据采集和处理2014.03.262014.03.305寻线自主导航的模型小车电路设计及制作2014.03.312014.04.03