面向入侵目標追捕的多回路無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計與相關技術研究.pdf

1、入侵目標追捕問題尤其是基于無線傳感器網(wǎng)絡的入侵目標追捕問題，由于其研究成果可以應用于戰(zhàn)場態(tài)勢感知、區(qū)域監(jiān)控、目標追蹤、重點區(qū)域防護等，在軍事斗爭中有著廣闊的應用前景。本文的研究對象是一個用于無人值守區(qū)域監(jiān)控、反擊的多回路無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡實時提供入侵者及追擊機器人的位置等信息，追擊機器人根據(jù)控制信息追擊并抓捕入侵者。本文從無線通信、計算機網(wǎng)絡及現(xiàn)代控制理論出發(fā)，結合仿真和實驗對面向入侵目標追捕的多回路無線網(wǎng)絡控制

2、系統(tǒng)的關鍵技術進行了研究。以盡量減少網(wǎng)絡時延對控制系統(tǒng)的影響為出發(fā)點，在解決無線傳感器網(wǎng)絡提供位置信息的基礎上，提出了多回路無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡調(diào)度與控制協(xié)同設計方法。
　　本文首先根據(jù)研究對象的應用及功能特點，對系統(tǒng)結構和功能進行分析，從硬件和軟件兩個方面詳細闡述了系統(tǒng)組成。依據(jù)系統(tǒng)的需要，設計并實現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡的多回路網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的試驗平臺，提出了本文研究的相關技術。針對時延對無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制性能的影響，論文研究

3、了無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時通信問題。首先分析了無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的通信協(xié)議，確認提高無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時性的主要途徑是實現(xiàn)實時MAC協(xié)議。論文在分析MAC協(xié)議實時性的基礎上，提出了網(wǎng)絡節(jié)點的時空相關性模型，設計了節(jié)點的優(yōu)先級設置算法。在公平性原則的基礎上，提出了基于優(yōu)先級的實時MAC協(xié)議。基于更多應用的需要，論文提出了改進的具有強實時性的MAC協(xié)議，在試驗平臺上展開了無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的實時性實驗。仿真及實驗表明本文提出的MAC協(xié)議保證了數(shù)據(jù)

4、的實時傳輸，減少了無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的傳輸時延。針對面向追捕問題的多回路無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)目標位置信息來源基礎，論文設計了無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的重要組成部分-無線傳感器網(wǎng)絡，研究了無線傳感器網(wǎng)絡定位技術。針對當前大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡定位存在精度差、能耗高的缺點，本文設計了一種基于錨節(jié)點的定位算法。在已知網(wǎng)絡拓撲信息的基礎上，設計了最小連通訪問覆蓋節(jié)點集來簡化網(wǎng)絡拓撲結構，并采用遺傳算法實現(xiàn)錨節(jié)點的最優(yōu)運動軌跡規(guī)劃；當網(wǎng)絡拓撲信息未知時，提出了寬

5、度優(yōu)先算法和回溯式貪婪算法來求解錨節(jié)點的運動軌跡。在現(xiàn)有試驗平臺上，實現(xiàn)了不同測距誤差下的無線傳感器網(wǎng)絡的定位實驗。仿真實驗及實物定位實驗表明，與現(xiàn)有的定位算法相比，論文所提的定位算法具有較高的定位精度和定位效率，適合無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)應用。針對無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中控制性能與網(wǎng)絡性能互相耦合的問題，從網(wǎng)絡調(diào)度與控制協(xié)同設計的視角研究了多回路無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。根據(jù)網(wǎng)絡負載情況實時調(diào)度各回路控制器的采樣周期，建立了變采樣周期的隨機時延網(wǎng)絡控制系