無線傳感器網絡（WSN）技術在小型組足球機器人比賽中的應用

王 振，趙祥模，徐志剛

（長安大學 陜西省道路交通智能檢測與裝備工程技術研究中心，陜西 西安 710064）

隨著科學技術的不斷發展，機器人在越來越多的領域里得到了應用。機器人學科融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等許多學科的理論與技術，是當今世界許多前沿領域技術的綜合體[1]。在眾多的機器人種類中，特別是RoboCup小型組足球機器人系統面向交叉學科，涉及機械，電子，自動控制，檢測，計算機乃至信息技術人工智能，具有廣闊的研究前景。足球機器人系統（RSS）是一種典型的多機器人系統，具有開放式、分布式、動態的和實時等特點[2]，足球機器人賽場情況千變萬化，需要所有機器人相互協作對賽場情況作出及時反映。在整個機器人比賽過程中，機器人子系統從決策子系統獲取信息則是非常重要的環節。因此就必須保證通訊系統的可靠性、穩定性和實時性。

目前廣泛采用的無線通訊方式是以中心廣播方式發送數據給所有機器人，根據信息中包含的ID來區分接受對象，在這種通訊方式下，機器人之間相互孤立的，外界各種各樣的干擾經常會出現某個機器人接收不到數據的現象，就會對比賽造成很大的影響，同時這種方式的通訊速率較慢。針對上述通訊存在的不足之處，文中提出了一種改進方法，即采用無線傳感器網絡（WSN）來實現信息的無線傳輸，無線傳感器網絡技術克服了傳統的數據點對點無線傳輸模式的局限性，具有拓撲結構動態性強、自組織性以及網絡分布式特性，同時具有低成本、低功耗、超強通信能力、通信距離遠和抗干擾能力強等諸多優點。保證了系統的可靠性，提高了通訊速率。

1 足球機器人系統

對足球機器人的通訊系統進行改進主要是為了達成兩個目標：一是為了保證數據的可靠傳輸，二是為了提高通訊速率。足球機器人無線通訊系統具有一對多，易受干擾影響等特點。因此，在設計無線通訊系統時必須要考慮這些因素。典型的足球機器人系統如圖1所示，由4個子系統[3]構成：

1）視覺子系統：攝像機、圖像處理與識別計算機。

2）決策子系統：決策和運動控制模塊。

3）無線通訊子系統：計算機無線數據發射和足球機器人的無線數據接收模塊。

4）機器人平臺系統：多個機器人小車，無線數據接收模塊、運動控制模塊、及其他電子配件。

比賽開始以后，首先由視覺子系統進行場景識別，視覺子系統從攝像頭獲得比賽賽場的信息，經圖像采集卡采集圖像信息后，計算機對采集的數據進行處理；然后將信息傳給決策子系統，決策子系統得到球員和球的數據結果信息后，產生各球員的控制命令；再通過通訊子系統將控制命令發給比賽場地的球員，最后足球機器人執行命令，完成任務。

無線通訊子系統是足球機器人系統的重要組成部分，該系統的任務是傳送由決策子系統產生的機器人控制指令到足球機器人接收模塊中。無線通訊子系統的組成包括無線數據接收器和無線數據發射器。無線數據發射器是用無線載波形式把機器人運動控制指令數據發送出去，無線數據接收器接收信號后，解調成機器人運動控制指令，其工作原理如圖2所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

圖2 無線通訊子系統結構圖Fig.2 Structure diagram of the wireless communication part

2 傳統的無線通信方式

根據比賽規則，足球機器人的通訊采取無線通訊方式。為了實現一對多的通訊，傳統的足球機器人采用廣播方式進行通信，所有機器人采用統一的通訊頻率。而發給不同的足球機器人的命令則根據各自的標識位加以區別。每個機器人都能夠接收到上位機發送的任一條指令，如果機器人檢測出信號的某一字節與自己的標識相符，則隨后的命令被判斷為有效，即是執行的命令。

2.1 傳統無線通信方式介紹

無線通訊系統的主要任務就是要將主計算機的命令準確無誤地傳送給機器人平臺，使足球機器人按照決策系統的指令做出踢球、帶球、傳球等動作。

決策子系統對機器人平臺的通訊是單向的，采用廣播式的無線通訊方式：每個控制周期無線發射器發射一幀數據給本方機器人，各機器人平臺根據自身編號讀取數據幀的不同字段，獲得自己的運動控制指令。廣播式無線通訊示意圖如圖3所示。

圖3 廣播式無線通信Fig.3 Broadcasting wireless communication

2.2 傳統無線通信方式的缺點

傳統的無線通信方式必須依靠點對點的通信方式來完成信息的傳輸，可以看出，當前小型組足球機器人無線通訊系統的有如下缺點：

1）它是一個一對多的無線通訊，場上有己方的5個機器人，就必須每個機器人有自己的指令標識，才能接收到自己的控制指令，容易出現誤讀和誤解析。

2）由于在比賽中存在許多干擾，比如機器人自身直流電機的噪音、系統其他設備內噪音干擾、還有比賽雙方使用的頻率波段相近引起的干擾等。而該系統沒有錯誤糾正和報文重發機制，所以該系統較易出現傳輸失敗，進而影響比賽的進行。

3）從整個足球機器人的工作流程可以看出要靈活有效地控制機器人小車就必須使每個控制周期的時間盡可能短，這種對每個機器人進行輪訓傳遞信息的方式無疑會延長系統的控制周期，帶來較大的遲滯。

3 基于WSN的新型無線通訊方式

3.1 WSN簡介

無線傳感器網絡WSN（Wireless?Sensor?Networks）技術綜合了傳感器技術、嵌入式系統技術、網絡無線通信技術、分布式信息處理技術[4]等，能夠通過各類集成化的微型傳感器節點，實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息。每個傳感器節點都具有無線通信功能，從而組成一個無線網絡。

無線傳感器網絡（WSN）技術克服了傳統的數據點對點無線傳輸模式的局限性，具有拓撲結構動態性強、自組織性以及網絡分布式特性，同時具有低成本、低功耗、超強通信能力、通信距離遠和抗干擾能力強等諸多優點[5]。其網絡體系結構如下圖所示。

3.2 WSN在足球機器人中的無線通訊方式

在比賽過程中，決策子系統會根據視覺子系統采集處理得到的現場信息制定下一步決策方案，即場上所有機器人的下一步運動策略，此時，由中心節點發出的無線指令將傳輸到比賽場上，場上所有的機器人均可看做是一個傳感器節點，所有節點隨機部署在比賽監測區域內部或附近，此時，根據固化在內部的通信協議，所有機器人平臺能夠通過自組織方式構成網絡。每一個節點獲得的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點[6]，這樣就實現了無線自組織網絡，進而保證每一條指令都能夠準確無誤地傳送到所有的機器人平臺上。有效地保證了無線通訊的效率和穩定性。

4 實驗及結果分析

采用對比試驗的方式來測試新型無線通信子系統的效果，分別用新型的無線傳感器網絡通信模塊ZM2410和傳統的RF24L01的無線收發模塊做了對比測試，新型的無線傳感器網絡WSN技術具有如下優點：

1）通訊速度明顯提高。

經過實驗測試給6個機器人平臺發送數據 （計算機以115200波特率與發射器通信），在相同情況下采用ZM2410的發送數據量為傳統Rf24L01模塊的3-5倍。

2）系統穩定性提高。

采用WSN后的通訊系統中，信息的丟包率由原來的7%降至1%。

3）收到錯誤指令的幾率幾乎為0。

由于WSN采用自組織的網絡拓撲結構實現，相鄰節點直接會自動進行數據共享，使得系統幾乎不可能收到錯誤的指令數據。在對比測試中，從發射器發送相同次數的數據（300次），記錄機器人接收到數據正確（通信成功）和錯誤（通信失敗）的次數，實驗結果如表1所示。

表1 兩種無線通信子系統的測試結果Tab.1 The result of two wireless communication subsystem

綜合比較兩種通訊系統．可以看出WSN通訊系統有通信距離遠、誤碼率低穩定性高等優點，并且通信的有效距離能夠滿足機器人足球比賽的要求。

5 結 論

本文將無線傳感網絡技術應用于小型組足球機器人比賽之中，主要用于構建足球機器人的無線通訊子系統，實現決策計算機和場上各個足球機器人的無線信息傳輸。相比于傳統的無線收發方式，文中通訊子系統具有更高的通訊速率、更低的誤碼率、更大的通訊范圍等優點，極大地提升了足球機器人的響應時間和控制能力，更加有利于群體機器人之間的協作。因此，采用改進后的比賽系統能夠滿足機器人比賽中對無線通信的要求，增強了系統的穩定性，更加有利于足球機器人在比賽中的發揮。

[1]周科.RoboCup小型組（F180）足球機器人運動控制和路徑規劃[D].浙江：浙江大學，2004.

[2]Payton D，Daily M，Estowski R，et al.Pheromone Robotics[J].Autonomous Robots，2001，11（3）:319-324

[3]趙爽.小型足球機器人的模塊化設計與運動控制研究[D].成都：西南交通大學，2014.

[4]李彬，王文杰，殷勤業，等.無線傳感器網絡節點協作的節能路由傳輸[J].西安交通大學學報，2012，46（6）:1-6 LI Bin，WANG Wen-jie，YIN Qin-ye，et al.An energyefficient routing with sensor nodes cooperation in wireless sensor network[J].Journal of Xi’an Jiaotong University，2012，46（6）:1-6.

[5]張玉鵬，劉凱，王廣學.基于無線傳感器網絡的跨層擁塞控制協議[J].電子學報，2011，39（10）:2258-2262.ZHANG Yu-peng，LIU Kai，WANG Guang-xue．Cross-layer congestion control for wireless sensor networks[J]．Acta Electronica Sinica，2011，39（10）:2258-2262．

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