毛文菊 劉恒 王東飛 楊福增 劉志杰

摘要： 針對(duì)多機(jī)器人在果園中作業(yè)時(shí)的通信需求，本研究基于Wi-Fi信號(hào)在桃園內(nèi)接收強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，提出了一種引入優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值的改進(jìn)無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（AODV-SP）。對(duì)AODV-SP報(bào)文進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用NS2仿真軟件對(duì)比了無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（AODV）和AODV-SP在發(fā)起頻率、路由開銷、平均端到端時(shí)延及分組投遞率4個(gè)方面的性能。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的AODV-SP路由協(xié)議在發(fā)起頻率、路由開銷、平均端到端時(shí)延及分組投遞率4個(gè)方面的性能均優(yōu)于AODV協(xié)議，其中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5 m/s時(shí)，AODV-SP的路由發(fā)起頻率和路由開銷較AODV分別降低了3.65%和7.09%，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為8 m/s時(shí)，AODV-SP的分組投遞率提高了0.59%，平均端到端時(shí)延降低了13.09%。為進(jìn)一步驗(yàn)證AODV-SP協(xié)議的性能，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建了基于領(lǐng)航-跟隨法的小型多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)并將AODV-SP在此平臺(tái)應(yīng)用，并進(jìn)行了靜態(tài)丟包率和動(dòng)態(tài)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)相距25 m時(shí)靜態(tài)丟包率為0，距離100 m時(shí)丟包率為21.01%；動(dòng)態(tài)行駛時(shí)能使機(jī)器人維持鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本研究可為果園多機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中通信系統(tǒng)的搭建提供參考。

關(guān)鍵詞： 果園；AODV-SP路由協(xié)議；無線通信；多機(jī)器人；物理平臺(tái)；仿真

中圖分類號(hào)： S24??????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A??????????? 文章編號(hào)： 202101-SA001

引用格式：毛文菊, 劉恒, 王東飛, 楊福增, 劉志杰. 面向果園多機(jī)器人通信的AODV路由協(xié)議改進(jìn)設(shè)計(jì)與測(cè)試[J]. 智慧農(nóng)業(yè)(中英文), 2021, 3 (1): 96-108.

Citation:MAO Wenju, LIU Heng, WANG Dongfei, YANG Fuzeng, LIU Zhijie. Improved AODV routing protocol for multi-robot communication in orchard[J]. Smart Agriculture, 2021, 3 (1): 96-108. (

1? 引? 言

果園生產(chǎn)作業(yè)具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力密集、季節(jié)性強(qiáng)的特點(diǎn)。采用機(jī)器人代替人力能夠有效緩解季節(jié)性用工難的問題，同時(shí)還能大大提高作業(yè)效率［1］。多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)則能夠完成一些單一機(jī)器人難以完成的任務(wù)。通信是多機(jī)器人之間彼此交換信息以及相互協(xié)作的重要基礎(chǔ)［2］。與其他通信技術(shù)相比，Wi-Fi具有傳輸速度快、擴(kuò)展性好、覆蓋范圍廣、設(shè)備成本相對(duì)較低等特點(diǎn)［3］，傳輸距離可滿足果園多機(jī)器人通信的要求。Wi-Fi有基礎(chǔ)網(wǎng)（Infrastructure）模式和自組網(wǎng)（Ad Hoc）兩種組網(wǎng)模式［4］。果園內(nèi)通常缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施，為完成作業(yè)任務(wù)，縮減多機(jī)器人通信成本，采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)搭建Wi-Fi通信環(huán)境是解決果園內(nèi)多機(jī)器人通信的一種可行方案。

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議是保障各節(jié)點(diǎn)（即機(jī)器人）有效信息交換的關(guān)鍵技術(shù)。按照路由建立方式的不同，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議［5］。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有分組待發(fā)送時(shí)可以即時(shí)獲取所需路由，但多機(jī)器人在果園移動(dòng)過程中通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化后，路由更新需要的開銷會(huì)隨之增加［6］；按需路由協(xié)議中的無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）是基于表驅(qū)動(dòng)方式目標(biāo)順序距離矢量（Destination Sequenced Distance Vector，DSDV）協(xié)議的優(yōu)化協(xié)議［7,8］，可以降低路由開銷、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，較適合在惡劣的果園環(huán)境中使用［9］，已成為近年來無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［10］。

Bisen和Sharma［11］針對(duì)監(jiān)測(cè)與鄰居的鏈路連接情況和維護(hù)路由表中能耗大的問題，提出了一種節(jié)能路由方法，能夠減少不必要的消息廣播。Das和Tripathi［12］針對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)電池容量不足以維持節(jié)點(diǎn)高移動(dòng)性的問題，提出了一種智能能量感知的高效路由協(xié)議，降低了與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的不確定性。Fang等［13］為同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)的傳輸性能和增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的安全性能，提出了一種輕量級(jí)安全路由協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的傳輸、能效、安全性的權(quán)衡。林濤等［14］針對(duì)傳統(tǒng)AODV協(xié)議在路由建立過程中洪泛機(jī)制造成通信開銷大的問題，引入基于路由級(jí)別的優(yōu)化策略，減少了參與路由建立的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)省了能量。王軍袖［15］針對(duì)節(jié)點(diǎn)間的距離、動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率能量消耗大，節(jié)點(diǎn)死亡等問題，提出了一種新的能量?jī)?yōu)化路由算法，降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，提高分組投遞率和平均吞吐量。Mafirabadza和Khatri［16］針對(duì)電池電量耗盡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)重建問題，對(duì)AODV作出了改進(jìn)，通過選擇能量更大的最短路徑來增加網(wǎng)絡(luò)壽命。Jabbar等［17］針對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的不可預(yù)測(cè)導(dǎo)致的開銷過大、能耗過高的問題，引入了一種能量和移動(dòng)性感知的多點(diǎn)中繼選擇機(jī)制，利用鏈路評(píng)估函數(shù)對(duì)鏈路的穩(wěn)定性進(jìn)行排名，選擇最有效和穩(wěn)定的路徑到達(dá)目的地。Periyasamy和Karthikeyan［18］針對(duì)通信節(jié)點(diǎn)易出現(xiàn)鏈路故障和路由斷裂的問題，提出了一種新型的節(jié)點(diǎn)不相干多路徑路由協(xié)議，利用路徑-鏈路質(zhì)量估計(jì)器和路徑-節(jié)點(diǎn)能量估計(jì)器等兩個(gè)指標(biāo)，在任意源點(diǎn)和目的點(diǎn)對(duì)之間找到多條鏈路可靠節(jié)能路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Reddy和Satyanarayana［19］針對(duì)節(jié)點(diǎn)的電池能量和鏈路的穩(wěn)定性造成數(shù)據(jù)包丟失和發(fā)生擁塞問題，提出了一種被稱為高效穩(wěn)定的多路徑路由的方法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的速度、方向、剩余能量、發(fā)射能量等參數(shù)選擇節(jié)點(diǎn)之間的傳輸數(shù)據(jù)包的路徑。上述這些改進(jìn)的AODV協(xié)議可根據(jù)路由請(qǐng)求算法建立從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，在路由請(qǐng)求（Route Request，RREQ）過程中優(yōu)先選用最短路徑路由，即選用跳數(shù)最少的路由。但對(duì)于果園而言，環(huán)境冠層低矮、枝葉繁茂、株間枝條交叉等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸能力影響較大，現(xiàn)有改進(jìn)的路由協(xié)議在此環(huán)境中并不適用。尤其是多機(jī)器人在“一對(duì)所有”的廣播通訊模式下，受環(huán)境影響易造成機(jī)器人通訊間的冗余傳播［20］，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組擁塞甚至丟失，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生路由中斷、時(shí)延加劇，降低了果園多機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

目前，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境路由協(xié)議的研究大多集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不適用于缺乏通信設(shè)施條件的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，而果園生產(chǎn)環(huán)境大多無法配備基礎(chǔ)通信設(shè)施。因此，為提升多機(jī)器人在果園中的通信性能，本研究選擇桃園為環(huán)境對(duì)象，根據(jù)課題組［21］在桃園環(huán)境下得到的Wi-Fi信號(hào)傳播模型，提出基于優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值的無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（Improved AODV Routing Protocol Based on Signal Strength Threshold and Priority Nodes，ADOV-SP），并通過NS2（Network Simulator Version 2）軟件對(duì)ADOV-SP協(xié)議與傳統(tǒng)AODV協(xié)議性能進(jìn)行仿真對(duì)比分析，最后在多機(jī)器人通信物理平臺(tái)上測(cè)試了AODV-SP協(xié)議通信系統(tǒng)的性能。

2? AODV-SP設(shè)計(jì)

AODV協(xié)議分為路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)階段［22］，路由發(fā)現(xiàn)是AODV路由維護(hù)的基礎(chǔ)。由源節(jié)點(diǎn)（發(fā)送信息的機(jī)器人）到目的節(jié)點(diǎn)（最終接收信息的機(jī)器人）之間經(jīng)過不同節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生不止一條路徑?？紤]到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性能較強(qiáng)，路由不穩(wěn)定，選擇與源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)（與發(fā)送信息機(jī)器人相鄰的其他機(jī)器人）距離相近的節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信息能提高信號(hào)強(qiáng)度，減少在“一對(duì)所有”通訊模式下無用信息塞滿帶寬的可能性。

2.1AODV-SP 協(xié)議

2.1.1AODV-SP 優(yōu)先節(jié)點(diǎn)的引入

在AODV-SP協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)階段引入?yún)?shù)變量“優(yōu)先節(jié)點(diǎn)”，即在源節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍πR2內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（如圖1所示），其中R為有效通信距離，用于接收和發(fā)送信息。節(jié)點(diǎn)有效通信距離由實(shí)際測(cè)試得到，節(jié)點(diǎn)以2.4 GHz Wi-Fi通信頻率收發(fā)信息時(shí)，斷裂后節(jié)點(diǎn)重新連接的最佳通信距離為5 m，此處R取5 m。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)S需要與目的節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)，但沒有目的節(jié)點(diǎn)D的合法路由時(shí)，可以向全網(wǎng)廣播RREQ消息，通過網(wǎng)絡(luò)尋求到目的節(jié)點(diǎn)的路由。通過判斷節(jié)點(diǎn)間的距離L與源節(jié)點(diǎn)有效通信距離R之間的關(guān)系，由于節(jié)點(diǎn)A、P與源節(jié)點(diǎn)S的距離L＜R內(nèi)，故選擇節(jié)點(diǎn)A、P作為節(jié)點(diǎn)S的優(yōu)先節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)S生成向其相鄰節(jié)點(diǎn)A、P廣播RREQ分組。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、P接收到該RREQ分組后，會(huì)判斷該節(jié)點(diǎn)是否為目的節(jié)點(diǎn)D或是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的路由信息；若是目的節(jié)點(diǎn)D，則建立反向路由并發(fā)送RREP（Route REPly）分組，反之丟棄該分組；判斷該節(jié)點(diǎn)是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的路由信息，若是則更新并轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組數(shù)據(jù)S→A→B直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D，否則就丟棄該分組。

節(jié)點(diǎn)間有效通信范圍閾值可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，適當(dāng)減小有效通信范圍的取值，反之則適當(dāng)增大其取值。

節(jié)點(diǎn)間的距離L為：

L=√((x_i-x_j )^2+(y_i-y_j )^2 ) （1）

θ=arctan|(x_j-x_i)/(y_j-y_i )| （2）其中，θ為由節(jié)點(diǎn)j和上一跳節(jié)點(diǎn)i的橫縱坐標(biāo)計(jì)算所得；xi、yi為上一跳節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，xj、yj為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。

2.1.2添加AODV-SP 信號(hào)強(qiáng)度閾值

研究前期，課題組在位于陜西省楊凌示范區(qū)的國家桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系西安綜合試驗(yàn)站中（桃園基本環(huán)境：桃樹行距約為4 m左右，株距約為2 m左右，株高約為3 m左右，樹冠厚2.5 m左右，果樹生長(zhǎng)期在10年以上。主要枝干高度較矮，果樹行間被茂密的枝葉所覆蓋，枝干重疊交叉，重疊部分距離地面最高僅為1.2 m），僅能容納單個(gè)小型機(jī)器人通過。小型機(jī)器人上架設(shè)的移動(dòng)通信設(shè)備受周邊樹木冠層、樹干、雜草等因素影響，在傳輸信號(hào)時(shí)易出現(xiàn)信號(hào)折射、反射、散射等現(xiàn)象，增加信號(hào)丟失概率。通過桃園Wi-Fi信號(hào)傳播試驗(yàn)和SPSS回歸分析，得到了不同收發(fā)節(jié)點(diǎn)方位角θ（0°、30°、60°和90°）和不同收發(fā)節(jié)點(diǎn)高度（25、50、75 和100 cm）在一定距離d（單位：m）時(shí)桃園內(nèi)Wi-Fi信號(hào)的接收強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型［21］。

{(P_r=-39.316-19.15lgd ????????????????????????????????????????????? ??????????????????????? ??????????????????????? ??????????????????????????????????????????????? 0°≤θ≤15°@P_r=-44.587-25.12lgd ????????????????????????????????????????????? ??????????????????????? ??????????????????????? 15°<θ≤45°@P_r=-44.729-24.53lgd ????????????????????????????? ??????????????? ??????????????????????????????????????????????? 45°<θ<75°@P_r=-45.796-23.55lgd ????????????????????????????????????????????? ??????????????????????? ??????????????????????? 75°≤θ≤90°)┤ （3）其中，Pr為信號(hào)接收強(qiáng)度，dBm；d為傳播距離，m；θ為收發(fā)節(jié)點(diǎn)方位角，（°）。

η_ij=〖P_rij/(-85)〗_?? （4）其中，P_rij為節(jié)點(diǎn)j以節(jié)點(diǎn)i為發(fā)射節(jié)點(diǎn)時(shí)的信號(hào)接收強(qiáng)度，dBm；η_ij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的信號(hào)強(qiáng)度閾值，dBm。通過Wi-Fi信號(hào)接收強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型得到路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值η，添加到RREP分組中。

η=∑η_ij （5）

RREP轉(zhuǎn)發(fā)至源節(jié)點(diǎn)后，根據(jù)收到的兩兩節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)閾值，計(jì)算得出最終路徑信號(hào)的強(qiáng)度閾值η，并選取從源節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)到目的節(jié)點(diǎn)的最強(qiáng)信號(hào)路徑進(jìn)行通信。

2.2AODV-SP報(bào)文設(shè)計(jì)

為適應(yīng)AODV-SP，需要對(duì)AODV-SP報(bào)文進(jìn)行修改，分別為AODV-SP RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文和AODV-SP RREP（路由響應(yīng)）報(bào)文。

AODV-SP RREQ報(bào)文用于向網(wǎng)絡(luò)尋求目的節(jié)點(diǎn)，如圖2（a）所示。其中，Type為分組類型，J為標(biāo)志位，R為修復(fù)標(biāo)志位，G為標(biāo)記中間節(jié)點(diǎn)是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，D為應(yīng)答標(biāo)志，U為對(duì)未知序列號(hào)的標(biāo)記。Reserved為保留位，Hop Count為跳數(shù)，Destination IP Address表示目的節(jié)點(diǎn)地址，Destination Sequence Number為目的序列號(hào)，Originator IP Address為源節(jié)點(diǎn)的IP地址，Originator Sequence Number為源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)。此外，與傳統(tǒng)的AODV相比，在AODV-SP的RREQ數(shù)據(jù)包內(nèi)還增加了Source X-coordinate源節(jié)點(diǎn)X軸坐標(biāo)、Source Y-coordinate源節(jié)點(diǎn)Y軸坐標(biāo)、Previous X-coordinate上一跳節(jié)點(diǎn)X軸坐標(biāo)、Previous Y-coordinate上一跳節(jié)點(diǎn)Y軸坐標(biāo)和Effective Communication Range有效通信范圍。

AODV-SP RREP 報(bào)文用于目的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)收到信息，如圖2（b）所示。其中，Type、R、Reserved、Hop Count、Destination IP Address、Destination Sequence Number、Originator IP Address、Previous X-coordinate和Previous Y-coordinate與RREQ報(bào)文一樣。與傳統(tǒng)AODV路由協(xié)議不同，圖2（b）中的A表示回復(fù)標(biāo)志，Prefix Sz表示前綴長(zhǎng)度，Lifetime表示RREP分組時(shí)間，Destination X-coordinate表示目的節(jié)點(diǎn)X軸坐標(biāo)、Destination Y-coordinate表示目的節(jié)點(diǎn)Y軸坐標(biāo)和Path Signal Strength Threshold路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值。

3? AODV-SP路由算法構(gòu)建

借鑒AODV路由發(fā)現(xiàn)階段的工作原理，與AODV-SP中的“優(yōu)先節(jié)點(diǎn)”和信號(hào)強(qiáng)度閾值相對(duì)應(yīng)，AODV-SP路由算法的具體實(shí)施步驟主要分為發(fā)現(xiàn)路由算法和選擇路由算法兩部分，其中發(fā)現(xiàn)路由算法對(duì)應(yīng)“優(yōu)先節(jié)點(diǎn)”，選擇路由算法對(duì)應(yīng)“信號(hào)強(qiáng)度”。

3.1發(fā)現(xiàn)路由算法

AODV-SP的發(fā)現(xiàn)路由算法流程如圖3所示，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，先檢查路由表項(xiàng)中是否有直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的路由，若有則沿此路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，反之源節(jié)點(diǎn)S發(fā)起路由請(qǐng)求，向它相鄰節(jié)點(diǎn)A、P廣播RREQ分組。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)A、P接收到RREQ后，判斷該節(jié)點(diǎn)是否為目的節(jié)點(diǎn)D或是否有到目的節(jié)點(diǎn)D的路由，若是，則建立反向路由，反之需根據(jù)公式（1）計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的距離L，再比較L與有效通信距離R的關(guān)系；判斷該節(jié)點(diǎn)是否為前一節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先節(jié)點(diǎn)，若是，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組，否則就丟棄該RREQ分組。其中節(jié)點(diǎn)間的距離L由各節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)獲得，即利用通用橫墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)（Universal Transverse Mercartor Grid System，UTM）坐標(biāo)系對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）經(jīng)緯度信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。因此，引入優(yōu)先節(jié)點(diǎn)這一參量后，實(shí)際上只有①S→A→N→B→D和②S→A→B→D兩條路由路徑用于廣播RREQ分組（如圖1所示），減少了兩條非優(yōu)先節(jié)點(diǎn)的路由路徑③S→P→N→D和④S→P→M→D引起的RREQ洪泛，可有效抑制AODV廣播風(fēng)暴。

3.2選擇路由算法

路由選擇對(duì)多機(jī)器人通信系統(tǒng)提供可靠通信服務(wù)至關(guān)重要［23］。AODV-SP的路由選擇算法流程如圖4所示。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到RREP分組后，首先根據(jù)公式（4）計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度閾值ηij，若是ηij?1則轉(zhuǎn)發(fā)分組，并基于公式（5）計(jì)算路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值，反之則將該分組丟棄。最終當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到RREP分組后，判斷接收到的所有可能路由的信號(hào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度閾值，并選擇信號(hào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度閾值最小的路徑為源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的最佳路由。如圖4所示，引入節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度閾值和路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值后，充分考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能力，首先丟棄信號(hào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度閾值η≥1所在的路徑，即丟棄路徑② S→A→B→D，然后計(jì)算其余路徑的路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值，可得路徑 ①S→A→N→B→D的信號(hào)強(qiáng)度閾值為2.35，則該路徑為源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)通信路徑。

通過引入優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和信號(hào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度閾值，使多機(jī)器人在果園內(nèi)以“一對(duì)所有”通訊模式互換信息時(shí)，由原有路由中的四條路由路徑減少為一條，即保證了有效信息的傳遞，又減少了無用信息塞滿帶寬的可能性。

4? AODV-SP性能仿真測(cè)試

為驗(yàn)證改進(jìn)后的AODV-SP性能，通過NS2仿真軟件，分析了節(jié)點(diǎn)不同移動(dòng)速度下該協(xié)議的性能，并與傳統(tǒng)的AODV進(jìn)行性能對(duì)比。

4.1仿真環(huán)境設(shè)置和相關(guān)參數(shù)配置

NS2是一種面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的、完全免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器。仿真環(huán)境以國家桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系西安綜合試驗(yàn)站果園環(huán)境為參考，設(shè)置為500 m×500 m的區(qū)域，仿真時(shí)間為300 s，系統(tǒng)隨機(jī)生成50個(gè)隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)以不同的移動(dòng)速度在上述500 m×500 m的區(qū)域內(nèi)，按照表1設(shè)置的仿真條件，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型為隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人因作業(yè)任務(wù)不同，運(yùn)動(dòng)形式不同，其行駛速度也大不相同，如除草機(jī)器人行駛速度在0.45~1 m/s 左右［24］，而噴藥、施肥機(jī)器人的作業(yè)速度通常要比除草、采摘機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等要高［25,26］，如大田農(nóng)業(yè)自主行駛噴藥機(jī)的行駛速度為3~8 m/s左右，空中無人機(jī)噴藥的作業(yè)速度為1~10 m/s 左右［27］。為保證改進(jìn)協(xié)議適用于高速作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，此處節(jié)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)速度的設(shè)置參考農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)器人，速度在1~10 m/s。仿真結(jié)果如圖5所示。具體的參數(shù)配置見表1。

4.2仿真測(cè)試結(jié)果與分析

通過對(duì)比AODV和AODV-SP兩種協(xié)議在路由發(fā)起頻率、路由開銷、平均端到端時(shí)延及分組投遞率4個(gè)方面的性能差異，驗(yàn)證AODV-SP的改進(jìn)效果。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果均為10次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

（1）路由發(fā)起頻率。表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的路由請(qǐng)求次數(shù)與仿真時(shí)間之比，用于表示網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，其計(jì)算方法見公式（6）。

路由發(fā)起頻率=源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的路由請(qǐng)求次數(shù)/仿真時(shí)間?? （6）

（2）路由開銷。網(wǎng)絡(luò)中用于路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的分組數(shù)與目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)之比，用于表示網(wǎng)絡(luò)開銷，其計(jì)算方法見公式（7）。

路由開銷=用于路由請(qǐng)求和路由維護(hù)的分組總數(shù)/接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù) （7）

（3）平均端到端時(shí)延。數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所需的平均時(shí)間，用于表示網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，其計(jì)算方法見公式（8）。

平均端到端時(shí)延=(數(shù)據(jù)包接收所需時(shí)間-數(shù)據(jù)包發(fā)送所需時(shí)間)/接收數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)??? （8）

（4）分組投遞率。目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)之比，用于表示網(wǎng)絡(luò)的可靠性，計(jì)算方法如公式（9）。

分組投遞率=目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量/源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量 （9）

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，引入了優(yōu)先節(jié)點(diǎn)與路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值后的AODV-SP平均端到端時(shí)延、路由發(fā)起頻率、路由開銷三個(gè)指標(biāo)均小于原始AODV，分組投遞率較AODV有著明顯提高。其中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5 m/s時(shí)，AODV-SP的路由發(fā)起頻率和路由開銷較AODV分別降低了3.65%和7.09%；節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為8 m/s時(shí)，AODV-SP的分組投遞率提高了0.59%，平均端到端時(shí)延降低了13.09%。

由于在AODV-SP的改進(jìn)過程中引入了優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值兩個(gè)參量，使最終選擇的路徑更加穩(wěn)定，不易斷裂，故節(jié)點(diǎn)的不同移動(dòng)速度下，AODV-SP低于AODV的路由發(fā)起頻率（圖6（a））。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5 m/s時(shí)，AODV-SP的路由發(fā)起頻率較原始AODV降低了4.73%。

在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增大的同時(shí)，路由開銷隨之增加（圖6（b）），由于改進(jìn)后的AODV-SP的路由更為穩(wěn)定，降低了路由斷裂的概率，使路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的分組數(shù)減少，故節(jié)點(diǎn)的不同移動(dòng)速度下，AODV-SP的路由開銷低于AODV。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5 m/s時(shí)，AODV-SP的路由開銷較原始AODV降低了8.38%。

節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度較低時(shí)，AODV和AODV-SP的平均端到端時(shí)延均較?。▓D6（c）），在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加的同時(shí)，平均端到端時(shí)延隨之增大，而相同移動(dòng)速度下AODV-SP小于AODV的平均端到端時(shí)延，其原因在于AODV-SP所建立路由的可靠性更高，節(jié)省了大量路由發(fā)現(xiàn)所需的時(shí)間。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為8 m/s時(shí)，AODV-SP的平均端到端時(shí)延較原始AODV降低了13.09%。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加的同時(shí)，分組投遞率逐漸降低（圖6（d）），由于AODV-SP所建立的路由有更好的穩(wěn)定性，降低了路由斷裂的幾率，故相同移動(dòng)速度下AODV-SP大于AODV的分組投遞率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為8 m/s時(shí)，AODV-SP的分組投遞率較原始AODV提高了0.59%。

仿真測(cè)試結(jié)果表明，在傳統(tǒng)AODV協(xié)議和AODV-SP協(xié)議下，農(nóng)業(yè)機(jī)器人行駛速度越大，節(jié)點(diǎn)間路由發(fā)起頻率、路由開銷以及平均端到端時(shí)延隨之增大，進(jìn)而影響通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性；對(duì)應(yīng)的分組投遞率越來越小，說明通信系統(tǒng)的可靠性越差，易導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)丟失。但相比傳統(tǒng)AODV協(xié)議，AODV-SP協(xié)議在通信延時(shí)、能耗、路由斷裂均有一定程度的改良。

5? AODV-SP性能物理平臺(tái)測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)后的AODV-SP仿真結(jié)果在多機(jī)器人無線通信系統(tǒng)上的適用性，保證果園多機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本研究選用了目前常用的基于領(lǐng)航-跟隨法的多機(jī)器人運(yùn)行模式，搭建了多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)，并對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了通信測(cè)試。

5.1多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)的搭建

為保證多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)的正常運(yùn)行，基于領(lǐng)航-跟隨法的多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)的系統(tǒng)硬件和軟件。其中領(lǐng)航機(jī)器人由遙控器控制，跟隨機(jī)器人通過無線通信系統(tǒng)的信息交互，與領(lǐng)航機(jī)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持一致。

5.1.1系統(tǒng)硬件選擇

多機(jī)器人系統(tǒng)硬件選用基于ARM11架構(gòu)的S3C6410處理器（飛凌OK6410-A開發(fā)板），并搭配SDIO Wi-Fi無線通信模塊（FIT-WIFI-II_RTL8189ES）、GNSS模塊（ATGM332D-5N）、超聲波傳感器（HC-SR04）、紅外傳感器（5 mm紅外對(duì)管）和4.3寸LCD液晶屏（圖7）。其中Wi-Fi無線通信模塊用于通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分組，GNSS模塊用于獲取機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的經(jīng)緯度信息（通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變?yōu)闄C(jī)器人橫縱坐標(biāo)），超聲波傳感器用于檢測(cè)桃園跟隨機(jī)器人的跟車距離，紅外傳感器用于保證車輛的跟車距離，LCD液晶屏可顯示果園機(jī)器人的運(yùn)行信息及指令信息。

5.1.2通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)的通信系統(tǒng)軟件主要包括根據(jù)AODV-SP 改進(jìn)后的數(shù)據(jù)包的編寫數(shù)據(jù)包可視化界面兩部分。其中數(shù)據(jù)傳輸格式如表2所示，除起始位和停止位以外，D0、D1、D3和COM分別代表本機(jī)的標(biāo)識(shí)符（領(lǐng)航機(jī)器人設(shè)置為“0”，跟隨機(jī)器人由“1”開始隨數(shù)量遞增）、IP地址、是否正常運(yùn)行的狀態(tài)和控制指令（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止）。并采用Qt Creator設(shè)計(jì)了能實(shí)時(shí)顯示該數(shù)據(jù)包的可視化界面，界面包括當(dāng)前機(jī)器人的IP地址、運(yùn)行狀態(tài)、經(jīng)緯度信息、跟車距離和其他機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)等信息。設(shè)定無線通信系統(tǒng)的信息定時(shí)更新時(shí)間為100 ms，當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后會(huì)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，若領(lǐng)航機(jī)器人接收到跟隨機(jī)器人發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，會(huì)提取數(shù)據(jù)并判斷是否包含異常停車指令，出現(xiàn)異常則停車等待，反之則發(fā)送控制命令并繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)聽。

5.2AODV-SP測(cè)試

丟包率及通信鏈中斷情況是衡量果園多機(jī)器人通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)。通過網(wǎng)絡(luò)丟包率和物理平臺(tái)測(cè)試，分別驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，多機(jī)器人靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種狀態(tài)下，基于AODV-SP的多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)數(shù)據(jù)包丟失、通信鏈中斷的實(shí)際情況。

5.2.1靜態(tài)丟包率測(cè)試

桃園株距約為2 m，行距約為4 m，Wi-Fi通信模塊的最大有效通信距離為105 m，為保證領(lǐng)航機(jī)器人通過Wi-Fi模塊能與跟隨機(jī)器人建立連接，參考桃園環(huán)境和多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式（圖1），將網(wǎng)絡(luò)丟包率為0時(shí)對(duì)應(yīng)的通信距離（25 m）作為丟包率測(cè)試的初始距離，測(cè)試間隔距離為5 m，最大通信距離為100 m。

每次測(cè)試過程中，領(lǐng)航機(jī)器人發(fā)送400組數(shù)據(jù)，通過記錄跟隨機(jī)器人端接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)即可求得網(wǎng)絡(luò)的丟包率。通過測(cè)試結(jié)果可知節(jié)點(diǎn)相距25 m時(shí)多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)的丟包率為0，100 m時(shí)丟包率為21.01%，可用于桃園多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)（表3）。

5.2.2多機(jī)器人通信系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

為測(cè)試多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)丟失、通信鏈中斷的實(shí)際情況，首先為物理平臺(tái)領(lǐng)航機(jī)器人A、跟隨機(jī)器人B和跟隨機(jī)器人C自動(dòng)分配IP地址，并將端口手動(dòng)設(shè)置為9000；其次根據(jù)紅外傳感器有效檢測(cè)范圍，將機(jī)器人間相對(duì)距離設(shè)置為40 m，然后使通信物理平臺(tái)的機(jī)器人按照鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)行，即機(jī)器人按照編號(hào)順序，沿直線依次遍歷前一個(gè)機(jī)器人走過的位置（圖8）。

先通過遙控器向領(lǐng)航機(jī)器人發(fā)送控制指令，領(lǐng)航機(jī)器人A接收到控制信號(hào)后，在執(zhí)行控制指令的同時(shí)會(huì)不斷根據(jù)自身狀態(tài)更新數(shù)據(jù)包中的經(jīng)緯度、控制指令等信息，并發(fā)送至跟隨機(jī)器人。跟隨機(jī)器人B和跟隨機(jī)器人C會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包解析并執(zhí)行其中的指令，并定時(shí)更新數(shù)據(jù)包中的經(jīng)緯度、運(yùn)行狀態(tài)和跟車距離等信息。其中跟隨機(jī)器人B向領(lǐng)航機(jī)器人A發(fā)送數(shù)據(jù)包，跟隨機(jī)器人C向領(lǐng)航機(jī)器人A和跟隨機(jī)器人B發(fā)送數(shù)據(jù)包。如圖9可視化界面所示，在多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，各多機(jī)物理無線通信平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)雙向通信，且跟隨機(jī)器人能根據(jù)控制指令完成編隊(duì)直線和轉(zhuǎn)向行駛。試驗(yàn)結(jié)果表明，AODV-SP可用于多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)。

6? 結(jié)? 論

本研究針對(duì)多機(jī)器人在桃園內(nèi)作業(yè)時(shí)的通信需求，基于Wi-Fi信號(hào)在桃園內(nèi)接收強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，在路由發(fā)現(xiàn)階段引入優(yōu)先節(jié)點(diǎn)和路徑信號(hào)強(qiáng)度閾值參量為路由請(qǐng)求考慮因素，提出了一種AODV-SP，并通過NS2仿真對(duì)現(xiàn)有AODV和改進(jìn)后的AODV-SP進(jìn)行了對(duì)比分析試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的AODV-SP在路由發(fā)起頻率、路由開銷、平均端到端時(shí)延及分組投遞率4個(gè)方面均優(yōu)于AODV，其中當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5 m/s時(shí)，AODV-SP的路由發(fā)起頻率、路由開銷較AODV分別降低了3.65%和7.09%；節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為8 m/s時(shí)，AODV-SP的分組投遞率提高了0.59%，平均端到端時(shí)延降低了13.09%，能有效提高無線通信網(wǎng)絡(luò)性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證AODV-SP的實(shí)用性，在搭建的基于領(lǐng)航-跟隨法多機(jī)器人無線通信物理平臺(tái)上，測(cè)試了基于AODV-SP的無線通信系統(tǒng)丟包率大小和通信系統(tǒng)在物理平臺(tái)上的傳輸性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，AODV-SP用于基于領(lǐng)航-跟隨法的多機(jī)器人，可通過互相通信維持鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

為保證本研究提出的AODV-SP通信系統(tǒng)能用于果園多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，后續(xù)研究還需要考慮節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)路由的影響，并將通信系統(tǒng)移植到在果園作業(yè)的機(jī)器人上，在實(shí)際果園環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。

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Improved AODV Routing Protocol for Multi-Robot Communication in Orchard

MAO Wenju1,2,3, LIU Heng1,2,3, WANG Dongfei1,2,3, YANG Fuzeng1,2,3,4*, LIU Zhijie1,2,3

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;

2.Apple Full Mechanized Scientific Research Base of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, China; 3.Northern Agricultural Equipment Scientific Observation and Experimental Station, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, China; 4.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Agriculture on Loess Plateau, Yangling 712100, China）

Abstract: To satisfy the communication needs of multiple robots working in orchards, an improved Ad Hoc on-demand distance vector routing protocol based on signal strength threshold and priority nodes (AODV-SP), and the prediction model of Wi-Fi signal reception in peach orchards, was proposed in this study. Different from the traditional AODV protocol, AODV-SP utilizes the idea of priority nodes and strength thresholds to construct a discovery routing algorithm and a selection routing algorithm by seeking priority nodes and calculating the maximum strength threshold between nodes, respectively. The discovery routing message and selection routing message of the AODV-SP protocol were designed according to the discovery routing and selection routing algorithms. To verify the performance of the AODV-SP protocol, the performance of the protocol with different maximum movement speeds of nodes was analyzed by using NS2 simulation software and the performance was compared with the traditional AODV protocol. The simulation results showed that the average end-to-end delay, route initiation frequency, and route overhead of AODV-SP protocol with the introduction of priority node and path signal strength thresholds were smaller than those of the traditional AODV protocol, and the packet delivery rate improved significantly compared with that of AODV protocol. Among them, when the maximum node movement speed was 5 m/s, the route initiation frequency and route overhead of AODV-SP protocol reduced by 3.65% and 7.09%, respectively, compared with AODV protocol. When the maximum node movement speed was 8 m/s, the packet delivery rate of AODV-SP protocol improved by 0.59% and the average end-to-end delay reduced by 13.09%. To further verify the simulation results of AODV-SP making AODV-SP protocol applicable to a multi-robot wireless communication system and ensure the normal operation of multi-robot wireless communication in orchards, a physical platform for multi-robot wireless communication was built in a laboratory environment, and software was designed to enable the physical platform to communicate properly under the AODV-SP protocol. And the physical platform for multi-robot wireless communication using the AODV-SP protocol was tested under static and dynamic conditions, respectively. The experiment results showed that, under static condition, when distance between nodes was less than or equal to 25 m, the packet loss rate of the robot was 0; when distance between nodes was 100 m, tthe packet loss rate of the robot was 21.01%, and the following robots could maintain the chain topology with the leader robot in dynamic conditions. Simulation and physical platform experiments results showed that the AODV-SP protocol could be used for the construction of multi-robot communication systems in orchard.

Key words: orchard; AODV-SP protocol; wireless; multi-robot; physical platform; simulation