眭澤智 鄒鐵城

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

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

眭澤智 鄒鐵城

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

針對移動機器人的智能控制的需求,本文設(shè)計了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能機器人通信系統(tǒng)。首將與控制器與機器人之間的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)定為多節(jié)點連接方式,同時將多個機器人及設(shè)備互聯(lián)成機器人智能控制網(wǎng)絡(luò),然后機器人與控制器之間信號采用分層遞減的結(jié)構(gòu)進行傳輸,最后根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點尤其特別是在時延問題上進行信號傳輸?shù)膬?yōu)化,從而實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的可靠的無線通信功能。研究實踐表明該通信控制系統(tǒng)能很好的滿足智能機器人的移動智能控制需求,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 機器人 信號傳輸 通信控制

1 引言

近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機器人技術(shù)的快速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)通信與控制技術(shù)相結(jié)合已成為機器人研究領(lǐng)域的熱點,同時嵌入式系統(tǒng)以其體積小、性價比高、實時性強、穩(wěn)定性好等特點得到了廣泛的應用?；跓o線局域網(wǎng)的多機器人控制系統(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,難以滿足移動機器人的需求。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、網(wǎng)絡(luò)保密性好的特點。而機器人技術(shù)的發(fā)展,單個機器人的能力、魯棒性、可靠性、效率等都有很大的提升。但面對一些復雜的、需要高效率的、并行完成的任務(wù)時,單個機器人則難以勝任。為了解決這個問題,機器人學的研究一方面進一步開發(fā)智能更高、能力更強、柔性更好的機器人;另一方面在現(xiàn)有機器人的基礎(chǔ)上,通過多個機器人之間的協(xié)調(diào)工作來完成復雜的任務(wù)。

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

在機器人足球比賽中,無線通訊子系統(tǒng)是連接主機和機器人的紐帶,根據(jù)國際足球機器人聯(lián)盟的規(guī)定,機器人必須以無線方式實現(xiàn)與主機之間的通訊。作為MiroSot系統(tǒng)一個重要組成部分,無線通訊予系統(tǒng)性能的好壞將決定比賽能否順利進行。如果通信過程有誤差,將導致機器人動作錯誤,或者失去控制,甚至會直接影響比賽的順利進行。所以通信系統(tǒng)的設(shè)計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機作為服務(wù)器,服務(wù)器通過RS232或USB外接一個無線發(fā)送器,每一個包含無線接收器的足球機器人都是終端,多個終端和服務(wù)器就構(gòu)成了點對多點的無線通訊系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳給無線模塊后,當需要無線傳輸時由模塊自動對數(shù)據(jù)進行按無線數(shù)據(jù)協(xié)議進行打包發(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)議格式進行控制即可,對發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)進行定義、解析,使其代表不同的意義,就可達到控制目的。

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

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模塊作為機器人小車的無線收發(fā)器。型號為BIM-418-F和BIM-433-F,載波頻率分別為418MHz和433MHz,但是BIM模塊價錢昂貴,無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬較小(最大只達40kbit/s),體積較大(約33mm×23mm×10mm,占機器人小車體積的2/5),并且相近頻率干擾和模塊內(nèi)部干擾較嚴重。針對上述BIM模塊的缺點,采用了基于nRF2401A的無線通信模塊PTR4000來實現(xiàn)足球機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)議應該首先能夠區(qū)分噪聲和有效數(shù)據(jù),實驗表明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)送時第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)容易丟失,所以發(fā)送協(xié)議開始應該以一個以上任意內(nèi)容的字節(jié)開頭,本系統(tǒng)仍使用OxFFOxAA;上位機發(fā)送給每個機器人小車的控制命令包含3個字節(jié),分別代表每個機器人的標識(Ni)、左輪速度(Li)和右輪速度(Ri),分別為1個字節(jié)。采取校驗和方式,占用1個字節(jié)。在機器人足球比賽中,最大型的硬件組比賽是FIRA MTROSOT ll VS 11比賽,系統(tǒng)中控制命令字應該包括本方11個機器人的左右輪速度。

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PTR4000的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收以及軟件延時程序的編寫。要使PTR4000上電后正常工作,必須對其進行初始化配置。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)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行。

3 總價

基于無線局域網(wǎng)的移動機器人遠程控制系統(tǒng)的應用,使機器人擺脫了對上位控制PC端在地域上的依賴,機器人在工作中,遠程控制人員可時時刻刻觀察機器人的工作狀態(tài),并對工作環(huán)境改變或突發(fā)事件對機器人進行實時控制及處理,提高了移動機器人的靈活性,與此同時本方案采取了小巧嵌入式主板,增強了機器人自處理信息的速度,提高了感知環(huán)境的能力?；诜植际侥K化的思想增強了機器人各部件的可移植性。

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

[2]吳大鵬,武穆清,甄巖.移動自組織網(wǎng)絡(luò)可用帶寬估計方法研究進展[J].通信學報,2010,31(4):103-115.

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

眭澤智(1992－),男,本科在讀,主要研究領(lǐng)域為機器人控制,信號處理。鄒鐵城(1992－),男,本科在讀,主要研究領(lǐng)域為智能控制,遺傳算法。