基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月球車定位導(dǎo)航分析

張 政

（臨沂市第七中學(xué)，山東 臨沂 276000）

月球中存在大量礦產(chǎn)資源。如“嫦娥之父”歐陽(yáng)自遠(yuǎn)所言，如果能夠?qū)υ虑蛸Y源進(jìn)行有效開(kāi)發(fā)并將其中的一部分運(yùn)回地球，可供地球使用至少萬(wàn)年時(shí)間。因此，探測(cè)月球、建立月球基地的最終目的是造福人類，也是當(dāng)下航天活動(dòng)的核心目標(biāo)之一。我國(guó)早在2014 年便開(kāi)展探月工程，時(shí)至今日，嫦娥五號(hào)返回艙已經(jīng)帶回了部分月壤樣品。作為有志青年，應(yīng)當(dāng)積極參與青少年航天創(chuàng)新大賽活動(dòng)。本文圍繞無(wú)人駕駛、有效探索兩個(gè)核心功能，設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有可自動(dòng)避障尋跡、金屬探測(cè)功能的月球探測(cè)智能小車，現(xiàn)對(duì)相關(guān)思考及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行論述。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)涵簡(jiǎn)析

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是：在一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集及信息共享。一般情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以經(jīng)由飛機(jī)拋灑或人工方式完成布置——大量節(jié)點(diǎn)可被部署在需要被感知對(duì)象的附近或內(nèi)部[1]。由于所有節(jié)點(diǎn)具有相同的地位且無(wú)需進(jìn)行任何事先安排，故各個(gè)感知節(jié)點(diǎn)可通過(guò)分布式算法，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)指揮。基于此，可以自動(dòng)構(gòu)建成一個(gè)面向?qū)ο蟮臏y(cè)量網(wǎng)絡(luò)。由于不存在中心節(jié)點(diǎn)，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的健壯程度極高，不會(huì)因?yàn)樯贁?shù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)變動(dòng)而造成網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性下降。

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)如下：其一，能量高效性。應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，需要確保能量得到高效利用，從而使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。相關(guān)原理是：傳感器節(jié)點(diǎn)的體積較小，攜帶的能量有限。與之相對(duì)的情況是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量大、環(huán)境復(fù)雜程度較高。因此，很難采用人工方式完成電池的更換，補(bǔ)充能源也不現(xiàn)實(shí)。其二，拓?fù)淇刂菩浴Ｔ跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下，原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極有可能在新節(jié)點(diǎn)加入、舊節(jié)點(diǎn)退出或是環(huán)境發(fā)生變化之后而隨之發(fā)生變化?；诖耍枰O(shè)置拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性。

2 月球車定位導(dǎo)航概述

2.1 月球車特點(diǎn)及功能簡(jiǎn)析

月球探測(cè)車的本質(zhì)是一種具有巡視功能，能夠執(zhí)行探測(cè)任務(wù)、可靈活移動(dòng)的無(wú)線探測(cè)機(jī)器人。這種設(shè)備在月球表面移動(dòng)的過(guò)程中，需要對(duì)月面土壤進(jìn)行采集并對(duì)潛在的礦藏資源進(jìn)行尋找、發(fā)現(xiàn)。車輛在移動(dòng)的過(guò)程中，內(nèi)置的各項(xiàng)傳感器裝置還應(yīng)對(duì)車輛本身、環(huán)境中的某些參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)收集、比對(duì)。相關(guān)信息上傳至內(nèi)置控制中心之后，對(duì)車輛的下一步行駛計(jì)劃做出調(diào)整，確保探測(cè)車能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.2 月球車的定位導(dǎo)航方式

月球探測(cè)車的定位導(dǎo)航功能的主要作用是：使探測(cè)車具有準(zhǔn)確定位能力——只有將月球車位置信息準(zhǔn)確、完整地上傳，才能高效率、高質(zhì)量地完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)?，F(xiàn)階段得到廣泛應(yīng)用的月球車定位導(dǎo)航技術(shù)包括航位推算法、天文導(dǎo)航定位技術(shù)、視覺(jué)導(dǎo)航定位技術(shù)、激光雷達(dá)導(dǎo)航定位技術(shù)、無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)等。現(xiàn)階段，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航定位技術(shù)主要應(yīng)用基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位算法以及非基于測(cè)距的節(jié)點(diǎn)定位算法，核心定位導(dǎo)航技術(shù)是“測(cè)距”[2]。

3 一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車定位導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)分析

3.1 無(wú)人月球探測(cè)車設(shè)計(jì)思考

本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球探測(cè)車共由車輛載體、控制系統(tǒng)、外圍探測(cè)系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成，具有自動(dòng)躲避障礙、尋找前行路線、金屬探測(cè)等功能，具有較強(qiáng)的智能性，初步實(shí)現(xiàn)了月球探測(cè)車應(yīng)該具有的多項(xiàng)功能[3]。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的內(nèi)容如下：

1.對(duì)成本和環(huán)境因素進(jìn)行綜合考量之后，決定將月球車的能量來(lái)源確定為電能。在車輛啟動(dòng)且開(kāi)關(guān)處于“打開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，指示燈長(zhǎng)期顯示為綠色（如圖1所示為月球車實(shí)物圖），車輛可正常行駛。

圖1 月球探測(cè)車實(shí)物圖

2.為確保車輛能夠自動(dòng)搜索可供通行的線路并始終在制定線路內(nèi)行駛，需要設(shè)置“尋跡傳感器”。該元器件的主要功能是：在探測(cè)車行駛過(guò)程中，以類似蝙蝠發(fā)射超聲探測(cè)波的方式，向車輛前往地帶發(fā)射探測(cè)波。一旦發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)障礙物，尋跡傳感器便會(huì)感知并立刻向車輛控制中心發(fā)出預(yù)警信息，車輛內(nèi)置燈會(huì)發(fā)出閃爍燈光。與此同時(shí)，車輛的行進(jìn)方向也會(huì)發(fā)生變化，可避免車輛碰撞障礙物。

3.當(dāng)車輛行駛至具有較大傾斜角度的地形時(shí)，內(nèi)置的平衡感應(yīng)開(kāi)關(guān)會(huì)立刻啟動(dòng)，相關(guān)信息（地形信息及車輛當(dāng)前平衡信息）同樣會(huì)被立刻傳輸?shù)娇刂浦行牟⑼ㄖ囕v發(fā)出預(yù)警燈光。車輛內(nèi)置控制中心接收相關(guān)信息之后，會(huì)控制車輛后退，直到平衡感應(yīng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，意味著車輛此時(shí)已經(jīng)抵達(dá)安全區(qū)域[4]。

4.月球探測(cè)車應(yīng)該具備的一項(xiàng)核心功能是：對(duì)月球的礦產(chǎn)資源進(jìn)行有效探測(cè)?？紤]的要素是：月球探測(cè)車在逐漸接近金屬礦藏時(shí)，環(huán)境的磁場(chǎng)會(huì)在不同程度上發(fā)生改變。因此，探測(cè)車應(yīng)該通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉環(huán)境磁場(chǎng)變化信息的方式，判斷車輛本身是否逐漸接近金屬礦藏。設(shè)置的專用元器件是模擬霍爾傳感器。攜帶該元器件的探測(cè)車逐漸行駛到金屬礦藏附近時(shí)，霍爾傳感器會(huì)發(fā)出不同的信息，連帶著控制燈光變化并發(fā)出預(yù)警信息。此階段的另一項(xiàng)考量是，僅靠霍爾傳感器無(wú)法進(jìn)一步判斷環(huán)境磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)，且車輛沿著當(dāng)前路線前行時(shí)是否會(huì)遭遇危險(xiǎn)屬于未知事項(xiàng)。因此，車輛需要暫時(shí)停止行駛，在原地等待控制中心發(fā)布下一步行動(dòng)指令。但“停車”并不意味著車輛內(nèi)部的所有元器件全部暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，而是會(huì)對(duì)周圍環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果溫度異常（多為過(guò)高）便會(huì)發(fā)布預(yù)警信息并立刻關(guān)閉系統(tǒng)，避免元器件受損。

3.2 無(wú)人月球探測(cè)車的構(gòu)成及基本控制流程

3.2.1 無(wú)人月球探測(cè)車的基本構(gòu)成

對(duì)上述四大類功能需求進(jìn)行整體考量之后，決定在月球探測(cè)車內(nèi)部設(shè)置Arduino 主板，以此作為月球車的控制中心（大腦）。將面包電源板以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板作為月球車的動(dòng)力供應(yīng)來(lái)源。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)設(shè)置具有不同功能的傳感器，進(jìn)而對(duì)車輛本身狀態(tài)、環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)及上傳，進(jìn)而形成完整的功能體。月球探測(cè)車由以下元器件構(gòu)成：車輪、電動(dòng)機(jī)、模擬霍爾探測(cè)器、循跡傳感器、紅外避障傳感器、平衡傳感器、溫度傳感器、指示燈、主開(kāi)關(guān)、Arduino 主板、電機(jī)控制板、面包板、電源、萬(wàn)向輪。

3.2.2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車定位導(dǎo)航基礎(chǔ)程序邏輯控制

按照上文所述方式完成月球車的設(shè)計(jì)、組裝之后，需基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)月球車的行進(jìn)過(guò)程進(jìn)行控制?；A(chǔ)邏輯程序控制流程如下：

1.啟動(dòng)車輛之后，系統(tǒng)首先對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判定。如果開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，則如上文所述，指示燈顯示綠色，電機(jī)正常啟動(dòng)并提供電動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輛向前行駛。如果開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，則指示燈處于關(guān)閉狀態(tài)，車輛停止不前。

2.在車輛行駛的過(guò)程中，溫度傳感器會(huì)隨時(shí)收集車輛溫度信息并上傳至Arduino 主板構(gòu)成的控制中心（大腦）端。控制中心存儲(chǔ)區(qū)域會(huì)預(yù)先設(shè)置正常溫度比對(duì)參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋的溫度信息會(huì)與該正常比對(duì)參數(shù)（危險(xiǎn)/正常臨界值）進(jìn)行比對(duì)，判斷溫度處于正常狀態(tài)，車輛正常行駛并開(kāi)展下一階段的判定作業(yè)。如果溫度比對(duì)結(jié)果提示車輛溫度處于異常狀態(tài)，則顯示燈會(huì)顯示紅色（意味著發(fā)出預(yù)警信息），電源會(huì)立刻關(guān)閉并使整個(gè)探測(cè)車處于待機(jī)狀態(tài)。

3.車輛行駛過(guò)程中，循跡傳感器會(huì)對(duì)車輛的行駛軌跡是否保持正常狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)車輛偏離制定路線，則指示燈會(huì)顯示藍(lán)色，控制中心會(huì)調(diào)整方向，控制車輛沿著制定路線行駛。

4.紅外線避障傳感器會(huì)對(duì)車輛行駛路線是否存在障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果前方存在障礙物，指示燈同樣會(huì)顯示藍(lán)色并發(fā)出報(bào)警信息，控制中心同樣會(huì)調(diào)整方向，避免車輛與障礙物碰撞。

5.在車輛行駛過(guò)程中，平衡傳感器會(huì)對(duì)車輛當(dāng)前平衡狀態(tài)、傾斜角度等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)平衡度已經(jīng)超過(guò)危險(xiǎn)臨界范圍，表明車輛當(dāng)前所處區(qū)域的整體傾斜度（坡度）較大，意味著車輛如果繼續(xù)處于該環(huán)境，極有可能發(fā)生危險(xiǎn)。此時(shí)指示燈會(huì)顯示藍(lán)色，控制中心會(huì)控制車輛沿著之前的行進(jìn)線路后退或是調(diào)整前進(jìn)方向，直到車輛平衡度恢復(fù)之后，指示燈顏色會(huì)從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。

6.模擬霍爾探測(cè)器會(huì)在車輛行駛期間，對(duì)環(huán)境的磁場(chǎng)信息進(jìn)行收集。如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)出現(xiàn)較大的變化，指示燈會(huì)不斷閃爍（以此作為預(yù)警信息）?？刂浦行氖盏竭@一信息之后，會(huì)暫停車輛運(yùn)行，持續(xù)時(shí)間一般控制在5s 左右。在此期間，控制中心會(huì)對(duì)車輛當(dāng)前所處位置進(jìn)行標(biāo)注，將該區(qū)域設(shè)定為“磁場(chǎng)異常區(qū)域”，之后會(huì)進(jìn)一步向前搜索行駛并重復(fù)上述作業(yè)內(nèi)容。

3.3 無(wú)人月球探測(cè)車行進(jìn)過(guò)程的綜合控制

根據(jù)上述對(duì)無(wú)人月球探測(cè)車行進(jìn)過(guò)程的基礎(chǔ)控制程序流程進(jìn)行分析后，總結(jié)出的車輛行進(jìn)綜合控制邏輯如下：其一，控制中心判斷開(kāi)關(guān)是否處于打開(kāi)狀態(tài)。其二，判斷車輛當(dāng)前溫度是否處于正常狀態(tài)（是否能夠維持車輛處于正常行駛狀態(tài)）。其三，通過(guò)收集磁場(chǎng)信息，判斷車輛當(dāng)前所處位置是否存在礦藏。其四，對(duì)車輛行駛過(guò)程中自身是否能夠維持平衡狀態(tài)、車輛行駛前方是否存在障礙物、車輛當(dāng)前運(yùn)行軌跡是否處于制定路線之中等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。相關(guān)信息上傳至控制中心的同時(shí)，指示燈會(huì)根據(jù)具體情況，發(fā)出綠色（正常狀態(tài)）、藍(lán)色（控制中心需要調(diào)整車輛當(dāng)前行進(jìn)狀態(tài)）、紅色（存在異常情況，需要控制中心立刻處理）、閃爍（發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)出現(xiàn)明顯變化，疑似探測(cè)到礦藏）、指示燈熄滅（開(kāi)關(guān)未開(kāi)啟或因故需要暫時(shí)將車輛從運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整為停車狀態(tài)）?？刂浦行膶?duì)探測(cè)車下一步運(yùn)行方式進(jìn)行的調(diào)整存在一定的限制性——只有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止四種選擇。綜合控制邏輯如下：

1.收集開(kāi)關(guān)信息，如果開(kāi)關(guān)未打開(kāi)，小車處于停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，指示燈處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)，則溫度傳感器對(duì)車輛溫度是否處于正常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若溫度異常，車輛停止運(yùn)動(dòng)，指示燈從綠色變?yōu)榧t色；若溫度正常，其他傳感器會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)、環(huán)境坡度（車輛平衡）、前方有無(wú)障礙物等信息進(jìn)行收集。根據(jù)上文所述流程，指示燈會(huì)在特定的情況下完成顏色的定向變化。

4 結(jié)語(yǔ)

從本質(zhì)角度來(lái)看，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心發(fā)展方向是“控制與被控制”?！翱刂啤惫δ軐?shí)現(xiàn)的過(guò)程中，控制指令（信息信號(hào)）的傳輸效率、質(zhì)量至關(guān)重要，如果能夠確?？刂浦噶钤跇O短時(shí)間內(nèi)安全、完整地完成定向傳遞，便可使被控制設(shè)備做出特定的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)。本文提出的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車由車輛載體、控制系統(tǒng)、外圍探測(cè)系統(tǒng)三部分功能，初步實(shí)現(xiàn)了探測(cè)車的各種功能，能夠確?？刂浦噶罘€(wěn)定傳輸，可提供一定的借鑒。