基于CSS无线传感网定位技术的登高车臂架精确感知系统

 

         基于CSS无线传感网定位技术的登高车臂架精确感知系统    中山三角出租登高车, 中山三角租赁登高车, 中山三角登高车  无线传感网定位技术的国内外研究现状,  无线传感网(WSN)是指由数目众多的具有感知能力、无线通讯能力、计算能力的成本低廉的传感器节点组成的网络，它将无线传感技术、信息处理技术、通信技术集一身。定位技术作为无线传感网的关键问题之一，其目的是利用部分节点间的测距信息通过计算得到网络中所有节点的位置信息。无线传感器网络节点定位算法除了要考虑精度、硬件成本、能源效益、环保的要求外，还要注重设备的续航能力、分布式计算的特殊性等等。由于WSN节点硬件成本低廉、体积小、能耗低、组网灵活、配置快捷、传感器可相互协调通信实现数据传输等特点，因此引起了学术界、工业界和军事部门的高度关注，越来越多的学者和研究机构对其进行了一系列的研究。从目前的研究趋势来看，高精度的定位算法和稳定性高的定位芯片依旧是研究的热点。在国外，作为无线定位的领头羊，CharlesTJ最早对无线监控系统进行了研究，并申请了美国专利。AT&T实验室在1994年设计并实现了“ActiveBadge”定位系统，自此，开辟了无线定位的新道路，越来越多的科研机构及工程专家致力于定位算法的研究。RADAR定位系统通过对特定环境下的RF信号衰落特征值进行提取实现了“指纹识别”定位技术，解决了WLAN中移动定位的问题。后继研究成果BatSystem室内定位系统被提出，该系统使用超声波信号的到达时间(TOA)实现三维空间定位，定位精度达到3cm。CricketCompass是一种基于到达时间差(TDOA)和信号到达相位差的硬件解决方案，能够确定大楼3内某个具体房间内的静止节点或者移动节点，其系统原型可确定误差在±5°，接收信号方向在±40°角以内。在国内，无线传感网定位的起步稍晚，科研学者和专家们致力于在传统算法上做改进和优化工作，希望在满足实时性的情况下能够达到更好的精度以适应对定位要求越来越高的应用实例中。将经典二维算法AHLoS扩展到三维空间，通过采用加权和迭代的方法来减少累计误差；翁志远等人利用DV-hop算法的思想，提出了一种分布式定位算法，该算法根据每个节点的克拉美罗下界(CRLB)和到最近基站的跳数赋予每个节点一个权值，计算非线性最小二乘时，权重值越大，则该项误差将被优先最小化，算法具有精度高、低复杂度的特点。在蒙特卡罗方法的基础上，利用锚节点上一时刻的最大速度和信息，建立参考盒子，减小了MCB算法的采样范围。

       机械臂姿态感知的国内外研究现状.  臂架系统作为整个混凝土登高车操作的关键部分，其设计的合理性，直接关系到泵的性能和臂架浇筑末端的位置。目前，国内外科研机构及学者对工程机械臂的姿态感知研究主要集中在智能控制系统、有限元臂架分析与设计、动态仿真、轨迹规划等层面。20世纪末，基于高科技的新产品和新结构被广泛的应用于国外工程机械的生产中，工程机械有了一个新的台阶和发展方向。工程机械的首要任务是提高整个机械的可靠性，在此基础上，技术路线变化的重点是加大对电子产品的质量，提高操作人员工作环境，改善产品使其标准化、通用化，使工程机械往安全、环保、节能方向发展。国外臂架系统以科学技术为先导，在智能控制系统、液压控制、发动机电控、发动机燃料燃烧、远程监控、驾驶员可视化操作、自动浇筑等方面做了大量研究，许多新结构和新产品被开发，为工程机械臂的发展提供了强大的技术支持。卡特彼勒公司研发的基于计算机辅助和GPS（全球定位系统）的METS系统，包括设备监测、无线数据传输、计算机管理系统等设备。为考虑工程机械的作业安全，国外的很多工程机械安装了闭路监测系统，以及超声波后障碍探测系统，该系统可以为操作人员提供视频和音频信息。Leica公司采用基于GPS技术的Dozer2000定位系统实现了虚拟推土作业，该系统无需实地勘察侦测及标桩，操作人员即可准确地控制推土机铲刀板位置。Miyamoto利用开环技术解决了登高车作业时臂架柔性振动的问题。提出了一种基于GPS(全球定位系4统)的登高车臂架位置检测方案。该方案未提及对登高车臂架定位精度的影响，能否满足实际应用仍需验证。专业从事电控研究的EPEC、TTC、3B6、Intel对工程机械臂的精确定位也做了很多研究。在国内，为提高大型机械臂架系统的控制效率，一些大型企业也投入了大量资金及人员对大型工程机械设备登高车臂架系统的研发工作。研制开发了基于GTRS[的混凝土登高车远程监控系统。针对利用倾角传感器时，臂架的柔性形变易导致累计误差的问题，研究了针对柔性形变的一种实时补偿方法。提出一种利用载波相位差分得到基准GPS接收器的信息，移动GPS接收器通过对卫星组的进行监测，得到目标位置的初始坐标。该方法具有较高的定位精度，可达厘米级。将应变原理用于登高车臂架的姿态感知，该方法能有效监测臂架的方位角。国外对登高车臂架的研究主要保留在动力学和有限元的模拟分析上面，国内则以静态的有限元分析为侧重点。但在实际的操作中臂架随着输入的变化应力变化很大，并且工程环境的复杂多变，传统的方法难以拟合臂架的实际运动规律，因此对登高车臂架的研究还是保留在实验阶段。因此，为跟进大型工程机械在业内的发展水平，我们必须在工程机械领域加大研发力度，增强智能化控制功能，从而为大型工程机械的发展及作业安全提供良好的基础。

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       存在的问题目前，国内获取工程机械臂位置信息的方式都是通过倾角传感器采集数据。在登高车的机械臂的每一个关节点处均设置一个倾角传感器，处理器再将各倾角传感器所感测的角度通过三角变换来确定各个关节点的位置坐标。当前技术感知登高车臂架的位置姿态信息时，由于倾角传感器本身所具有的误差以及混凝土泵送流量及流速的不同会使整个定位过程存在以下问题：1）传感时间较长，传感信号非线性；2）倾角传感器的出厂标定问题；3）多自由度下测量误差累计；4）臂架柔性弯曲和振动时误差较大5. ）传感数据需要核心控制器处理，增加了控制器的负担。以上存在的问题容易使最后获得的臂架末端的位置参数与实现位置相差很大，难以满足对臂架系统控制的需要，进而影响混凝土登高车的工作效率和使用性能。

        主要针对现有姿态感知系统存在误差累计、精度不高、实时性不强等问题，在定位系统获得传感器节点和基站的测距值的基础上，提出一种能够明显改善定位精度的定位优化算法，并设计一款便于安装、拆卸和调试的登高车臂架精确感知系统。本文的结构安排如下：第一部分：绪论。主要介绍了课题的研究背景及意义、无线传感网定位和机械臂姿态感知技术的国内外研究现状。当前技术存在的问题，针对现有问题提出的技术方案。最后说明了本文的组织结构安排。第二部分：基于无线定位技术的登高车臂架姿态感知系统。首先介绍了基于CSS的无线定位技术；其次，介绍了登高车臂架的结构，分析了登高车臂架的运动状态并对登高车臂架的运动空间做了转换。最后对基于无线定位技术的姿态感知进行了系统设计。第三部分：登高车臂架姿态感知系统的定位算法设计与性能仿真。首先对登高车臂架定位的基本思想和半定规划定位原理进行了介绍；其次将经典AHLos算法的思想和登高车定位的思想相结合，将半定规划算法用在登高车臂架的定位上面，实现登高车臂架定位算法的优化，最后运用MATLAB软件平台对提出的算法进行仿真验证。第四部分：登高车臂架精确感知技术的软件实现。首先介绍了姿态感知系统的软件平台，其次对登高车臂架系统的节点及定位算法进行了软件设计，并在单登高车臂架系统上进行了测试和效果分析。

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