基于参数扰动超混沌的井下定位通信防碰撞方案

论文摘要

目前井下煤矿还普遍存在人员定位管理困难的问题,难以及时掌握井下人员动态分布情况,导致事故发生时,安全救护的效率低。因此,建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行。本论文首先介绍了井下定位系统的应用背景,并对目前已有的定位系统进行介绍,分析其工作原理以及系统所必须要完成的功能。通过分析已有的各种井下定位通信方案的优缺点,确定使用在目前技术条件下综合效益最高（成本低,可靠性高）的RFID定位方案,并介绍了与RFID定位方案相关的芯片资料和通信总线特点。然后完成了基于“LPC2368处理器+nRF24L01+CAN总线”的基站硬件电路设计,并选取了该电路中的两个主要模块——CAN总线接口和nRF24L01接口电路的硬件和驱动程序设计进行详细说明；完成了基于’MSP430F2013处理器+nRF24101"的标签电路设计,探讨了MSP430处理器的低功耗技术应用方法,设计了MSP430F2013和nRF24L01之间的低功耗读写驱动程序。讨论了井下定位过程中容易出现的通信碰撞问题,分析了产生碰撞的原因,并在目前已有各种防碰撞方案的基础上,提出一种适合RFID方式井下定位的通信防碰撞方案——基于混沌的通信防碰撞方法。除了完成定位系统的电路设计和相应的软件设计以外,还介绍了混沌系统的基本概念,四个经典混沌系统的特点,以及混沌反控制技术的方法和研究目的。通过对一个近似时滞超混沌系统的分析,计算超混沌系统产生的吸引子的Lyapunov指数、关联维数、Kolmogorov墒、频谱和Poincare截面等混沌特征量,将之与Lorenz吸引子进行比较,从数值实验方面证明了近似时滞超混沌吸引子的复杂动力学特性。最后利用混沌的固有特性——类随机性和初值敏感性,设计了一个参数扰动超混沌系统,通过该系统可以得到完全真随机的信号,解决了井下定位系统的通信碰撞问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 井下定位系统介绍
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的章节安排
• 2 系统方案设计
• 2.1 常用定位方案
• 2.1.1 基于GPS的定位系统
• 2.1.2 基于RFID的定位系统
• 2.1.3 基于WiFi的定位系统
• 2.1.4 基于MESH网络的定位系统
• 2.1.5 基于ZigBee技术的定位系统
• 2.2 系统方案选择
• 2.3 与方案相关的芯片及通信总线介绍
• 2.3.1 LPC2368微处理器
• 2.3.2 MSP430F2013超低功耗微处理器
• 2.3.3 nRF24L01射频收发芯片
• 2.3.4 CAN总线
• 2.4 基站设计
• 2.4.1 CAN总线接口设计
• 2.4.2 nRF24L01接口设计
• 2.5 标签设计
• 2.6 本章小结
• 3 井下人员定位软件设计难点
• 3.1 问题提出
• 3.2 常用的防碰撞问题的解决方法
• 3.2.1 空分多路法
• 3.2.2 频分多路法
• 3.2.3 时分多路法
• 3.2.4 码分多路法
• 3.3 时分多路的防碰撞算法
• 3.3.1 基本的ALOHA法
• 3.3.2 时隙ALOHA法
• 3.3.3 帧时隙ALOHA算法（FSA算法）
• 3.3.4 动态帧时隙ALOHA算法
• 3.4 基于混沌的防碰撞思路
• 3.5 本章小结
• 4 混沌及混沌反控制
• 4.1 概述
• 4.2 几个经典混沌系统
• 4.2.1 Lorenz系统
• 4.2.2 Rossler系统
• 4.2.3 Chen系统
• 4.2.4 Chua系统
• 4.3 混沌反控制方法
• 4.4 混沌反控制的研究意义
• 4.5 混沌反控制的目标
• 4.6 本章小结
• 5 近似时滞超混沌系统的动力学特性分析
• 5.1 概述
• 5.2 Lyapunov指数和Lyapunov维数
• 5.3 关联维数和Kolmogorov熵
• 5.4 频谱和Poincare截面
• 5.5 本章小结
• 6 基于参数扰动超混沌的防碰撞算法
• 6.1 概述
• 6.2 电路噪声采集电路
• 6.3 参数扰动超混沌系统的选择
• 6.4 将混沌序列变换成均匀伪随机序列的普适算法
• 6.5 二值化
• 6.6 VC环境下的系统仿真
• 6.6.1 单片机数据采集
• 6.6.2 混沌序列生成
• 6.6.3 普适化算法
• 6.6.4 二值化与二进制序列提取
• 6.7 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附录1 LPC2368处理器的CAN接口驱动程序
• 附录2 LPC2368处理器与nRF24L01接口驱动程序
• 附录3 MSP430F2013处理器与nRF24L01接口驱动程序