作為WSN移動節(jié)點的履帶機器人路徑跟蹤控制研究.pdf

1、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)在農業(yè)中的應用可以有效降低工作量，提高農業(yè)管理智能化水平。然而，傳統(tǒng)WSN節(jié)點位置保持固定，缺乏靈活性和局部執(zhí)行力。
　　移動機器人具備較強的機動性，可以攜帶多種高精度傳感器，能夠執(zhí)行復雜算法、完成更復雜的任務。將移動機器人和WSN結合，不僅可以使WSN在局部范圍內具有一定的計算能力和執(zhí)行力，還可以輔助WSN進行節(jié)點的動態(tài)規(guī)劃和維護任務，完成較復雜的決策和管理

2、工作。移動節(jié)點既可作為采集點，也可作為匯聚點。當某一固定路由節(jié)點發(fā)生故障時，移動節(jié)點可代替其繼續(xù)工作，改善WSN性能。
　　然而，履帶機器人在復雜農田環(huán)境中運行時，由于受到地面土質、田墑規(guī)劃以及自身機械結構參數(shù)變化等因素的影響，會發(fā)生滑動現(xiàn)象，使得其運行路徑存在偏差。為了量化性地反映出滑動現(xiàn)象，需要對滑動量進行實時測算和控制，以實現(xiàn)履帶機器人的路徑跟蹤，保證移動節(jié)點的穩(wěn)定運行。為此，本文的主要研究內容和成果如下：
　　1．闡

3、述了 WSN和移動節(jié)點之間的關系，對移動節(jié)點的功能需求進行了分析，確定了移動節(jié)點系統(tǒng)的總體結構。從軟、硬件兩個方面完成了移動節(jié)點的設計；焊接制作了移動節(jié)點的PCB電路，定義了WSN節(jié)點間的通信協(xié)議，同時，搭建了ARM嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，編寫測試了移動節(jié)點的驅動程序和應用程序；配置和搭建了用以獲取履帶機器人位姿數(shù)據(jù)的差分 GPS定位系統(tǒng)，并分析了坐標系之間的轉換關系，給出了坐標間轉換關系式和計算實例。
　　2．為了保

4、證移動節(jié)點在農田環(huán)境中的穩(wěn)定運行，準確、高效地完成故障節(jié)點替換和信息采集任務，針對影響履帶機器人路徑跟蹤效果的滑動問題進行了運動學分析建模，提出了基于無損卡爾曼濾波（Unscented Kalman Filter，UKF）算法和滑模觀測器（Slide Mode Observer，SMO）的滑動參數(shù)計算方法。利用UKF算法對履帶機器人的狀態(tài)和測量方程進行融合，實現(xiàn)了機器人的姿態(tài)重建。構建了以雙曲正切函數(shù)作為切換函數(shù)的履帶機器人滑動參數(shù)SM

5、O，減弱了SMO符號切換函數(shù)引起的抖動，實現(xiàn)了對滑動參數(shù)的精確計算。仿真結果表明：該計算方法可以獲取準確及高更新率的滑動量，為農用履帶機器人的路徑跟蹤控制提供了數(shù)據(jù)基礎；
　　3．針對移動節(jié)點控制系統(tǒng)易因自身結構參數(shù)變化和外部干擾而影響其控制精度的特點，將模糊控制和滑?？刂疲⊿lide mode control，SMC）結合，提出了基于二維模糊理論的履帶機器人自適應模糊滑?？刂疲‵uzzy slide mode control，F(xiàn)

6、SMC）方法，削弱了干擾因素對控制系統(tǒng)精度的影響，減少了履帶機器人在兩種農田環(huán)境：草地和松軟土地中的滑動現(xiàn)象，實現(xiàn)了移動節(jié)點的路徑跟蹤控制。仿真結果表明，與傳統(tǒng)滑?？刂茖Ρ龋現(xiàn)SMC具有更顯著的自適應性、高效性和魯棒性。
　　4．測試了移動節(jié)點功能。實驗結果：移動節(jié)點可以按照設計協(xié)議與 WSN的協(xié)調器和服務器進行正常通信，數(shù)據(jù)采集和傳輸無誤；兩種農田環(huán)境中，不管移動節(jié)點是轉彎還是直線運行，F(xiàn)SMC的路徑跟蹤軌跡都較為平滑，與預設路