1、硕 士 学 位 论 文基于 Mesh 网络的井下机车自主导航系统研究Research on Underground Locomotive Autonomous Navigation and Control System Based on Mesh作者：导师：北京交通大学2019 年 1 月ii北 京 交 通 大 学硕 士 学 位 论 文基于 Mesh 网络的井下机车自主导航系统研究Research on Underground Locomotive Autonomous Navigation and Control System Based on Mesh作者姓名：XXXX 学 号：XXXX
2、导师姓名：XXXX 职 称：XXXX 学位类别：XXXX 学位级别：硕士 学科专业：XXXX 研究方向：XXXX 北京交通大学2019 年 1 月iii致谢本论文的工作是在我的导师老师的悉心指导下完成的，老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来老师对我的关心和指导。在实验室工作及撰写论文期间，郭威、徐海飞、林旺、郑凤君、刘嘉宇等同学对我论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。大家在科研工作中互相帮助，结下了深厚的友谊。同时还要感谢实验室已毕业的师兄师姐们，他们在学习和生活上都给与了我帮助。另外也感谢我的父母和亲属，他们的理解和支持使我
3、能够在学校专心完成我的学业。最后衷心祝愿我的老师和同学们身体健康、万事如意！祝愿我的家人平安幸福、健康快乐！ 北京交通大学硕士学位论文 摘要iv摘要目前，我国矿山开采深度、强度和规模逐年增加，采矿条件愈加恶劣，急需先进的采矿设备和技术来改善现状。井下自主行走机车是采矿设备智能化研究的一大趋势，自主导航系统研究是自主行走机车核心内容。本课题设计的自主导航系统属于远程无线遥控系统的一部分，主要任务是实现一套基于无线 Mesh 网络（Wireless Mesh Network，WMN ）的井下机车自主导航系统，利用无线 Mesh 网络的组网优势和传输特性，实现机车无线定位和系统远程无线监控。通过 N
4、S2 无线网络仿真实验研究适用于本系统的随机接入机制，保障网络传输质量，最后通过仿真实验和实际测试验证导航算法和定位算法的可靠性、有效性。自主导航系统由核心控制单元和执行单元组成，核心控制单元采用 LPC1768处理器，通过 CAN、RS485 、以太网通信接口采集激光扫描仪、转角传感器、旋转编码器、RFID 阅读器数据，通过 Flash 模块存储数据；同时执行激光导航定位算法。执行单元接收核心控制单元的逻辑控制指令，通过 PWM 模块输出控制信号，驱动电机控制机车，并将机车运行状态、告警信息通过 WMN 发送至远程监控单元。本文首先介绍课题研究背景及意义、研究状况及研究目标；其次详细介绍远程
5、无线遥控系统各部分主要功能，分析 WMN 拓扑结构和相关标准；然后进行自主导航系统硬件设计，包括主控制器、通信单元、外围模块的电路设计。接着重点研究基于 WMN 的激光导航定位算法，详细设计激光导航算法路径规划、数据融合、逻辑反馈控制三个子系统，紧接着介绍自主导航系统软件设计，重点分析包括数据采集、导航算法、通信协议的软件设计；接着介绍 MAC 层 DCF 和EDCF 随机接入机制，模拟系统网络拓扑完成 QoS 性能仿真；最后分析系统测试结果。 实际仿真结果表明采用 EDCF 机制，网络服务质量更好；基于 RSSI 的三角质心定位算法适用于本系统；系统测试结果表明激光导航算法达到预期目标，实现
6、自主导航定位功能和远程监控功能，具有较高应用和推广价值。关键词：无线 Mesh 网络；激光导航；RSSI 定位；QoS；LPC1768分类号：TN929.5北京交通大学硕士学位论文 ABSTRACTvABSTRACTCurrently, the depth, strength and size of mining increase every year, harsh mining conditions need advanced mining equipment and technology to improve the situation. Autonomous underground lo
7、comotive is a major trend in the mining equipment, the core of which is autonomous navigation system.Autonomous navigation system designed in this paper is part of wireless remote control system,utilizing the advantages and transmission characteristics of Wireless Mesh Network (WMN) to achieve wirel
8、ess positioning and remote monitoring and controlling.Autonomous navigation system consists of a core control unit and execution units.Core control unit uses LPC1768, gathering information form laser scanners, angle sensors, rotary encoders, RFID reader through CAN bus, RS485 and Ethernet interface,
9、 storing data to Flash module and executing laser navigation algorithm in the mean time.Execution units receive logic control command form core control unit, driving motors to control the locomotive through PWM module output and transmitting locomotive status and warning message to remote monitoring
10、 unit via WMN.This paper firstly introduces the research background and significance, research status and research objectives, and then introduces main functions of various parts in wireless remote control system, analyses WMN topology and relative standard. Autonomous navigation system hardware des
11、ign follows with the study of laser navigation and positioning algorithm based on WMN, focusing on autonomous navigation system software design. Then DCF and EDCF random access mechanisms in MAC layer are introduced and simulated to compare their QoS performance. System test results are analyzed in
12、the end. The test results prove that locomotive achieved autonomous navigation and positioning as well as remote monitoring and controlling with high value for application and promotion.KEYWORDS：Mesh network；Laser navigation；RSSI location；QoS ；LPC1768北京交通大学硕士学位论文 目录vi目录摘要 .iiiABSTRACT .iv1 引言 .11.1
13、课题研究背景及意义 .11.2 课题研究状况 .11.3 课题研究目标 .21.4 论文主要工作及章节安排 .22 远程无线遥控系统总体设计 .42.1 系统整体功能介绍 .42.2 无线 Mesh 网络概述 .52.3 无线 Mesh 网络架构 .72.4 无线 Mesh 网络标准 .92.5 本章小结 .103 自主导航系统硬件设计 .113.1 系统总体硬件框架设计 .113.2 系统关键器件选型及配置 .113.2.1 井下机车模型装配 .123.2.2 LMS111 激光扫描仪 .123.2.3 MCGJ485B 系列角度传感器 .143.2.4 MCD-36320-BP109 多圈
14、绝对值旋转编码器 .163.2.5 RFID 阅读器 .183.3 系统原理图和 PCB 设计 .203.3.1 LPC1768 芯片简介 .203.3.2 核心控制单元设计 .213.3.3 执行单元通信模块设计 .253.3.4 设计注意事项 .263.4 本章小结 .274 激光导航定位算法设计 .28北京交通大学硕士学位论文 目录vii4.1 激光导航算法设计 .284.1.1 路径规划原理 .284.1.2 系统路径规划设计 .294.1.3 数据融合处理设计 .314.1.4 多偏差反馈控制设计 .364.2 基于 WMN 的定位算法设计 .404.2.1 常见定位算法概述 .40
15、4.2.2 质心定位算法设计 .444.2.3 航迹推算定位原理 .454.2.4 定位实验与性能分析 .464.3 本章小结 .505 自主导航系统软件设计 .515.1 系统总体软件框架设计 .515.2 Keil Vision4 开发环境介绍 .515.3 数据采集单元软件设计 .525.4 导航算法单元软件设计 .585.4.1 路径学习 .585.4.2 自主避障 .605.5 通信协议单元软件设计 .635.5.1 串口通信协议开发 .635.5.2 以太网通信协议开发 .655.6 本章小结 .676 无线 Mesh 网络性能仿真 .686.1 NS2 平台介绍 .686.2 N
16、S2 模拟平台搭建 .686.3 DCF 与 EDCF 基本原理 .696.4 QoS 评价指标及仿真 .716.5 本章小结 .767 系统测试 .787.1 系统实物及参数 .787.2 安装环境 .797.3 测试结果 .79北京交通大学硕士学位论文 目录viii7.4 本章小结 .838 总结与展望 .84参考文献 .86作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果 .90独创性声明 .91学位论文数据集 .92北京交通大学硕士学位论文 引言11 引言1.1 课题研究背景及意义我国幅员辽阔，矿产资源丰富，产量高，消耗量大，矿产经济在国民经济中占着重要地位，矿产经济的稳定和合理发展关系
17、着国家经济和政治的稳定 1。然而，随着矿山井下开采深度、强度和规模的逐年增加，采矿条件也愈来愈恶劣，急需先进的采矿设备和技术来改善现状，采矿机车作为是采矿主要设备，其自动化和智能化技术一直是研究的主要方向。近年来，通信技术和计算机技术兴起，带动采矿技术进步，井下机车自主行走的的研究在这样的背景下发展起来。目前，国内外对自主行走机车的研制进入白热化阶段，我国采矿环境、设备以及技术与世界先进水平还有较大的差距，井下机车自主行走的实现需要依托导航和定位技术，但井下巷道狭窄、环境复杂，机车具有质量大、惯性大，转向延迟大的特点，精确的导航和定位面临诸多困难，目前国内外尚无成熟的井下自主行走机车产品。针对
18、以上情况，本课题提出一套基于无线 Mesh 的井下机车自主导航系统方案。搭建的 WMN 能够自动调整网络拓扑并维持连接，具有灵活的多跳传输，随需扩展特性，非常适合矿井环境，为远程遥控和无线定位提供可靠支撑。设计的激光导航算法大大提高环境识别能力，基于 WMN 的 RSSI 定位与航迹推算定位相结合的定位算法提高了定位精度。自主导航系统的实现改善采矿条件、提高采矿效率、保障作业人员安全，降低人力成本，具有很大的推广价值和广阔的技术前景，为进一步的导航定位研究奠定理论基础。1.2 课题研究状况从 20 世纪 70 年代起，国内外的研发团队经过不断努力，各种技术的相继提出和实现，使井下通信距离、导航
19、、定位等难题得到了一定程度的解决 2。井下采矿技术经历了从人工驾驶发展到视距手持遥控、再发展到远距离遥控，甚至机车自主行驶的阶段，实现整个开采过程的自主定位导航控制和自主装料卸料 3。由于矿山井下机车向无轨化、自动化的方向发展，其生产费用不高、机动灵活、作业效率高，加之世界各国的采矿行业迅速投入使用和推广，促进了井下无轨机车的自主行走和自主采矿技术。国外随之出现了一批优秀的矿山设备制造企业和北京交通大学硕士学位论文 引言2自主研发遥控、监测系统的企业，如 ERA Mining Machinery、Caterpillar、FLSmidth 等 4，已经初步实现了矿山机械设备的系统化和自动化，大幅
20、度降低了矿石的生产成本，为大规模地下无人采矿提供了保证。国内采矿机械制造企业如三一重工、北方重工、安期生等，虽然在矿山的无人化，数字化技术等方面的研究取得了一定的进展，但与国外差距较大 5。成熟耐用的大型采矿设备主要依靠引进，自主研发的智能化、自动化设备处在雏形阶段，严重阻碍矿山技术进步，制约我国广阔资源的开采进度。近年来，不少企业和高校也在积极进行自行研制开发，国内形成一定影响的生产企业主要有：金川集团机械制造有限公司（金川金格矿业机车制造有限公司）、衡阳力达井下机车制造有限责任公司、南昌通用机械有限责任公司等。随着矿山技术的研究和进步，矿山的数字化、自动化、无人化、大型化为资源的高效和安全
21、开采提供保障，无线通信技术、遥控技术及导航定位技术的快速发展，矿山开采技术将不断向信息化、智能化前进，使全范围的煤矿开采实现高效、安全、可靠。1.3 课题研究目标本课题针对井下特殊环境，结合现有的导航定位技术，深入分析国内外井下机车自主导航定位的研究成果，将对 WMN 网络、激光导航、RSSI 定术、MAC层 DCF 和 EDCF 进行研究，制定出一套基于 WMN 的井下机车自主导航系统方案。利用仿真验证算法的有效性，在实际环境下进行测试，通过调节相关参数来消除误差，从而提高系统可靠性和稳定性。1.4 论文主要工作及章节安排本课题来自于实验室重大科研项目，属于远程无线遥控系统的一部分，主要工作是设计一套基于无线 Mesh 网络的井下机车自主导航系统。首先进行项目需求分析，确定设计方案和系统构架，然后重点研究无线 Mesh 网络拓扑、激光导航算法、RSSI 定位算法，接着在此基础上完成自主导航控制系统各单元的硬件设计和软件设计，并通过仿真验证算法有效性。紧接着研究 MAC 层 DCF 和 EDCF两种随机接入机制，通过 NS2 仿真软件模拟系统环境进行 QoS 性能仿真，得出结论。最后，搭建测试环境，在封闭楼道内完成机车自主导航系统测试，通过调节相关参数消除误差，提高系统可靠性和稳定性，并按照监控和管理的需求设计远程监控单元。
