1. 基于无线传感网技术的可定向自组织协同飞行机群设计基于无线传感网技术的可定向自组织协同飞行机群设计 指导老师：王林 团队成员：冯乐、王佳奇、 胡亚丹、黎亮

2. 1.立项背景 2.可行性分析与前期准备 3.特色与创新之处 4.实施方案与研究计划 5.经费预算与成员分工

3. 立项背景 • 随着传感器、计算机、无线通信、微机电等技术的发展和相互融合，产生了无线传 感器网络，它是一种新型的信息获取和处理技术。 • 无线传感器网络极大地扩展了网络的功能人类认知世界的能力，因此无线传感网络有着非常大的应用价值以及发展前景。

4. 立项背景 现有的传感网监测系统均是监测对象已知，或监测环境非动态的被动监测系统。

5. 研制一种可机动部署,可感知细粒度的无线传感网技网络监测系统具有重要的应用价值。研制一种可机动部署,可感知细粒度的无线传感网技网络监测系统具有重要的应用价值。 立项背景

6. 可行性分析与前期准备 基于无线传感网技术的 可定向自组织协同飞行机群设计

7. 可行性分析与前期准备 在本方案中系统采用市场上购置的航模飞机做为传感器节点的搭载平台。通过改装航模的控制部分，使之能完成自主飞行的要求。 我们，预计选用450系列的直升机航模，该航模的主要参数如下： 325木桨浆X1 6通道2.4GHz接收机X1 SG90 9g 舵机X4 高效率外转子无刷马达 KV: 3680X1 35安无刷电调X1 GAZ-125锁尾陀螺仪X1 高性能电池 11.1V,2180MAH,25CX1

8. 可行性分析与前期准备 传感器节点： 初期采用telosb节点，做为系统的无线传感器网络的网络节点。在该平台上，完成移动自组网、无线非测距定位算法，航模机群的整体协同控制。 考虑到航模飞机控制要求实时性，为达到传感器网络节点工作和航模飞行控制的一体性。我们将分别实验采用：mega128、stm32、msp430等微处理器做为单个航模飞机的主处理芯片。以求达到最优效果。 telosb节点

9. 可行性分析与前期准备 • 一 我们已经购买了两架飞机，并开始学习飞机的飞行原理，以及对于航模飞机的控制方法； • 二 我们已经购买了三轴陀螺仪，三轴加速度传感器，三轴陀螺仪，并开始对其工作原理与控制流程进了学习； • 三 我们已经准备了m430的最小系统板，stm32的最小系统板和mega128的最小系统板，并开始了进行相关的学习。

11. 特色与创新之处 • 首次使用航模飞机搭载传感器节点构成可定向移动Ad hoc网络。 • 解决突发情况下现有网络覆盖度和连通性问题带来的感知空洞问题。 2014/9/3

12. 特色与创新之处 • “会飞的网络”将传感器网络节点搭载在航模飞机上，通过航模机群组建传感器网络，突破了已往固定网络节点架设的框架，大大扩展了传感器网络和互联网的应用领域。 • 将GPS和非测距定位技术相结合，降低飞机搭载负荷，降低能耗。 • 利用Ad hoc网的无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，提高传感器网络的覆盖面积，也可迅速组建通信网络，作为传统通信网络的应急方案使用。 2014/9/3

13. 实施方案与研究计划 感知机 (TelosB节点) 感知机 (TelosB节点) 感知机 (TelosB节点) 领航机 （Mesh节点） 该无线传感器网络由做为Mesh节点的领航机和搭载TelosB节点的感知机构成。 领航机（搭载Mesh节点）负责获取地面飞行控制指令，向感知机广播飞行控制指令，作为汇聚节点将感知机数据汇聚并发送回地面基站。

14. 实施方案与研究计划 感知机（搭载TelosB节点）负责监测区域环境并向领航机发送感知数据。 TelosB节点 2014/9/3

15. 实施方案与研究计划 • 硬件设计分为航模飞机，航模控制部分，Telosb，传感器四部分。 • 软件设计是（基于Tinyos开源嵌入式操作系统）分为航模飞机控制模块，自组网与定位模块，导航模块，传感器驱动模块，通信模块共五大模块。 • 航模机群通过GPS系统和无线传感网定位技术保证航模机群的一体性。 2014/9/3

16. 实施方案与研究计划 重点与难点分析 • 1. Ad hoc网的组建。该部分是航模机群通信和定位的基础，同时也是感测器网络的核心所在。 • 2. 定位系统。通过三个携带GSP的飞机做为参考店，为整个机群其它飞机的定位提供基准。在航模飞机在自组网通信的过程的完成定位，大大提高了资源的利用率。 • 3. 系统的能源管理。由于单个航模飞机无线传感器网络节点的能源独立性，有限性，必须确保整个系统的能源供应。 • 4. TinyOS的应用。

17. 实施方案与研究计划 飞机的控制 • 飞机的控制包括飞机的飞行方向，飞行高度以及飞行速度的控制。 • 我们采用三轴加速度传感器，三轴陀螺仪模块以及电子罗盘，来采集飞机工作时的数据，从而达到来按预定目标控制飞机飞行的目的。

18. 实施方案与研究计划 飞机的控制 • 现在，我们面临的问题主要在于控制算法上，目前我们预期采用类似pid算法，从而对飞机飞行时的姿态先进行一种智能控制，在此基础上，再对算法进行改进，从而更好的控制飞机的飞行。

19. 飞机协同飞行控制 实施方案与研究计划 • 航模之间飞机协同飞行，关键在于定位系统。该系统通过三个携带GSP的飞机作为参考定位点，为整个机群其它飞机的定位提供基准，即该系统的硬件设计。 • 对于该系统的软件设计，即控制系统，我们初步采用非测距定位算法。

20. 飞机协同飞行控制 实施方案与研究计划 • 基于非测距的定位技术也就是距离无关的定位机制, 指的是通过一定方法估计节点间的距离或者确定包含未知节点的可能区域, 来确定未知节点的位置。 • 在非测距的定位方法中, 最广泛使用的是DV-Hop 定位方法, 质心算法, APIT 算法，AOA定位方法。

21. 系统的通信问题 • 利用Ad hoc网的无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，提高传感器网络的覆盖面积，也可迅速组建通信网络，作为传统通信网络的应急方案使用。可扩展为动感知机脱离机群而失去飞行方向；最后，Telosb节点需将接收到的控制命令发送给飞机飞行的控制芯片，为了避免控制信道和网络信道之间的数据包冲突，需要采用多信道切换技术，并要保证网络节点通信模块和飞机控制通信模块之间达到数据同步。最后由mesh节点将传感器采集到的数据返回基站，进行数据分析。

22. 飞机的功耗问题 对于飞机的功耗问题，主要在于控制飞机的芯片上，m430芯片为16位，低功耗芯片，可以满足需要，同时，我们也会用stm32和mega128进行试验，从而选出更好地芯片作为飞机的控制部分。同时，飞机的载物问题也是功耗的一部分，因为飞机之间的定位需要搭载gps模块，所以我们可以通过改进算法来降低飞机功耗。

23. 基于目前情况的后期安排 • 2012年1月--3月：在理解航模飞机飞行以及理解Mesh节点数据传输模块的工作原理之后，对领航机的硬件部分进行电路设计和结构设计； • 2012年4月--5月：熟悉GPS导航系统的工作原理，并利用现有的非测距定位算法，开发感知机飞行姿态控制算法； • 2012年6月--9月：完成感知机搭载Telosb节点的电路设计和机群自组网的通信模块调试； • 2012年10--11月：进行1架领航机与1架感知机的协同飞行实验，分析实验结果，改进控制算法和数据传输算法； • 2012年12月：撰写结题报告，参加结题答辩，成果推广。

24. 成员分工

25. 项目预算

26. 项目研究预期成果 • 项目完成之后，将实现基于无线传感网技术的可定向自组织协同飞行机群设计，成果主要有六个方面： • —航模机群系统一套； • —成功试验视频； • —系统使用说明书一份； • —发表题为《基于Zigbee技术的无限机群控制算法》的论文一篇； • —申请发明专利一项，实用新型专利一项； • —项目成果可参加全国大学生挑战杯大赛和电子竞赛等比赛。