基于網(wǎng)絡(luò)控制的智能機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

眭澤智 鄒鐵城

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)系,湖南長沙 410083)

基于網(wǎng)絡(luò)控制的智能機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

眭澤智 鄒鐵城

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)系,湖南長沙 410083)

針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的智能控制的需求,本文設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能機(jī)器人通信系統(tǒng)。首將與控制器與機(jī)器人之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)定為多節(jié)點(diǎn)連接方式,同時(shí)將多個(gè)機(jī)器人及設(shè)備互聯(lián)成機(jī)器人智能控制網(wǎng)絡(luò),然后機(jī)器人與控制器之間信號(hào)采用分層遞減的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸,最后根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)尤其特別是在時(shí)延問題上進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的可靠的無線通信功能。研究實(shí)踐表明該通信控制系統(tǒng)能很好的滿足智能機(jī)器人的移動(dòng)智能控制需求,較普通的單鏈接模式在效率可靠性方面有明顯提高。

智能控制 機(jī)器人 信號(hào)傳輸 通信控制

1 引言

近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)通信與控制技術(shù)相結(jié)合已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),同時(shí)嵌入式系統(tǒng)以其體積小、性價(jià)比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。基于無線局域網(wǎng)的多機(jī)器人控制系統(tǒng)正是上述兩種技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。傳統(tǒng)的局域網(wǎng)采用有線接入方式,難以滿足移動(dòng)機(jī)器人的需求。無線局域網(wǎng)是以無線信道作為傳輸媒體,具有傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)保密性好的特點(diǎn)。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,單個(gè)機(jī)器人的能力、魯棒性、可靠性、效率等都有很大的提升。但面對(duì)一些復(fù)雜的、需要高效率的、并行完成的任務(wù)時(shí),單個(gè)機(jī)器人則難以勝任。為了解決這個(gè)問題,機(jī)器人學(xué)的研究一方面進(jìn)一步開發(fā)智能更高、能力更強(qiáng)、柔性更好的機(jī)器人;另一方面在現(xiàn)有機(jī)器人的基礎(chǔ)上,通過多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作來完成復(fù)雜的任務(wù)。

2 基于網(wǎng)絡(luò)控制的智能機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在機(jī)器人足球比賽中,無線通訊子系統(tǒng)是連接主機(jī)和機(jī)器人的紐帶,根據(jù)國際足球機(jī)器人聯(lián)盟的規(guī)定,機(jī)器人必須以無線方式實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的通訊。作為MiroSot系統(tǒng)一個(gè)重要組成部分,無線通訊予系統(tǒng)性能的好壞將決定比賽能否順利進(jìn)行。如果通信過程有誤差,將導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)作錯(cuò)誤,或者失去控制,甚至?xí)苯佑绊懕荣惖捻樌M(jìn)行。所以通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究要求有較高的可靠性。

2.1 無線通信子系統(tǒng)的工作原理

按比賽要求建立由內(nèi)嵌決策子系統(tǒng)的PC機(jī)作為服務(wù)器,服務(wù)器通過RS232或USB外接一個(gè)無線發(fā)送器,每一個(gè)包含無線接收器的足球機(jī)器人都是終端,多個(gè)終端和服務(wù)器就構(gòu)成了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通訊系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳給無線模塊后,當(dāng)需要無線傳輸時(shí)由模塊自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行按無線數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行打包發(fā)送等操作。使用無線模塊就像使用其他RS232或USB通訊設(shè)備一樣,只要按上述協(xié)議格式進(jìn)行控制即可,對(duì)發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、解析,使其代表不同的意義,就可達(dá)到控制目的。

決策子系統(tǒng)對(duì)足球機(jī)器人的通訊是單向的,采用廣播式無線通訊方式:每個(gè)控制周期無線數(shù)據(jù)發(fā)射器發(fā)射一幀數(shù)據(jù)給本方所有機(jī)器人,各機(jī)器人根據(jù)自身編號(hào)設(shè)定讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段,獲得自己的運(yùn)動(dòng)控制指令。

2.2 無線通訊子系統(tǒng)的硬件部分

目前國內(nèi)有幾十家單位參加了機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的研究,大部分單位都采用英國Radiometrix公司生產(chǎn)的BIM模塊作為機(jī)器人小車的無線收發(fā)器。型號(hào)為BIM-418-F和BIM-433-F,載波頻率分別為418MHz和433MHz,但是BIM模塊價(jià)錢昂貴,無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬較小(最大只達(dá)40kbit/s),體積較大(約33mm×23mm×10mm,占機(jī)器人小車體積的2/5),并且相近頻率干擾和模塊內(nèi)部干擾較嚴(yán)重。針對(duì)上述BIM模塊的缺點(diǎn),采用了基于nRF2401A的無線通信模塊PTR4000來實(shí)現(xiàn)足球機(jī)器人無線通信子系統(tǒng)。

2.3 無線通信數(shù)據(jù)傳送方式及通信協(xié)議

無線通信容易受到噪聲的影響,因此通信協(xié)議應(yīng)該首先能夠區(qū)分噪聲和有效數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)表明OxFF后跟OxAA在噪聲中不容易出現(xiàn),所以在數(shù)據(jù)包前面加開始字節(jié)OxFF后跟OxAA表示有效數(shù)據(jù)開始傳送,而在接收協(xié)議中規(guī)定只接收以O(shè)xFF后跟OxAA開始的數(shù)據(jù)包;另外由于在發(fā)送時(shí)第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)容易丟失,所以發(fā)送協(xié)議開始應(yīng)該以一個(gè)以上任意內(nèi)容的字節(jié)開頭,本系統(tǒng)仍使用OxFFOxAA;上位機(jī)發(fā)送給每個(gè)機(jī)器人小車的控制命令包含3個(gè)字節(jié),分別代表每個(gè)機(jī)器人的標(biāo)識(shí)(Ni)、左輪速度(Li)和右輪速度(Ri),分別為1個(gè)字節(jié)。采取校驗(yàn)和方式,占用1個(gè)字節(jié)。在機(jī)器人足球比賽中,最大型的硬件組比賽是FIRA MTROSOT ll VS 11比賽,系統(tǒng)中控制命令字應(yīng)該包括本方11個(gè)機(jī)器人的左右輪速度。

2.4 新型無線通信子系統(tǒng)的軟件研究

通訊子系統(tǒng)軟件研究主要包括對(duì)PTR4000的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收以及軟件延時(shí)程序的編寫。要使PTR4000上電后正常工作,必須對(duì)其進(jìn)行初始化配置。PTR4000具有直接模式(Direct Mode)和突發(fā)模式(ShockBurstTM)兩種工作模式。ShockBurstTM收發(fā)模式下,使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū),數(shù)據(jù)低速從微控制器送入,但高速(1Mbps)發(fā)射,這樣可以盡量節(jié)能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行。

3 總價(jià)

基于無線局域網(wǎng)的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用,使機(jī)器人擺脫了對(duì)上位控制PC端在地域上的依賴,機(jī)器人在工作中,遠(yuǎn)程控制人員可時(shí)時(shí)刻刻觀察機(jī)器人的工作狀態(tài),并對(duì)工作環(huán)境改變或突發(fā)事件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及處理,提高了移動(dòng)機(jī)器人的靈活性,與此同時(shí)本方案采取了小巧嵌入式主板,增強(qiáng)了機(jī)器人自處理信息的速度,提高了感知環(huán)境的能力。基于分布式模塊化的思想增強(qiáng)了機(jī)器人各部件的可移植性。

[1]牛曉光,崔莉,黃長城.移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中基于優(yōu)化分簇的混合路由協(xié)議[J].通信學(xué)報(bào),2010,31(10):58-67.

[2]吳大鵬,武穆清,甄巖.移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)可用帶寬估計(jì)方法研究進(jìn)展[J].通信學(xué)報(bào),2010,31(4):103-115.

[3]葛永明,朱藝華,龍勝春,等.IEEE802.11移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)競爭窗口長度的概率分布[J].電子學(xué)報(bào),2010,38(8):1841-1844.

眭澤智(1992－),男,本科在讀,主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人控制,信號(hào)處理。鄒鐵城(1992－),男,本科在讀,主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芸刂?遺傳算法。