第四章 智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)

智能機(jī)器人原理與實踐第4章智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是智能機(jī)器個體以及群體機(jī)器人協(xié)調(diào)工作中的一個重要組成部分。機(jī)器人的通信可以從通信對象角度分為內(nèi)部通信和外部通信。內(nèi)部通信是為了協(xié)調(diào)模塊間的功能行為，它主要通過各部件的軟硬件接口來實現(xiàn)。外部通信指機(jī)器人與控制者或者機(jī)器人之間的信息交互，它一般通過獨(dú)立的通信專用模塊與機(jī)器人連接整合實現(xiàn)。多機(jī)器人間能有效地通信可有效共享信息從而更好地完成任務(wù)。4.1現(xiàn)代通信技術(shù)4.1.1基本概念

1.點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)的基本模型圖4.1為一典型點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)的基本模型，各模塊作用如下：(1)信源把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號；發(fā)送設(shè)備也稱為變換器，它將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘枺乖夹盘枺ɑ鶐盘枺┻m應(yīng)信道傳輸特性的要求。(2)信道是傳遞信息的通道及傳遞信號的設(shè)施。按傳輸介質(zhì)（又稱傳輸媒質(zhì)）的不同，分為有線信道和無線信道（如微波通信、衛(wèi)星通信、無線接入等）；(3)接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，把從信道上接收的信號變換成信息接收者可以接收的信息，起著還原的作用；(4)受信者（信宿）是信息的接收者，將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息；

(5)噪聲源是指系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結(jié)果。為便于分析，一般將系統(tǒng)內(nèi)所存在的干擾（環(huán)境噪聲、電子器件噪聲、外部電磁場干擾等）折合于信道中。

圖4.1通信系統(tǒng)的基本模型2.現(xiàn)代通信系統(tǒng)的功能模型如圖4.2所示。該圖為一現(xiàn)代通信系統(tǒng)的功能模型，各模塊作用如下：(1)接入功能模塊：將語音、圖像或數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化并變換為適于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘枴?2)傳輸功能模塊：將接入的信號進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，變?yōu)檫m于傳輸?shù)男盘栃问健?3)控制功能模塊：完成用戶的鑒權(quán)、計費(fèi)與保密，由信令網(wǎng)、交換設(shè)備和路由器等組成。(4)應(yīng)用功能模塊：為運(yùn)營商提供業(yè)務(wù)經(jīng)營。圖4.2現(xiàn)代通信系統(tǒng)模型

3.現(xiàn)代通信系統(tǒng)的分類1)按通信業(yè)務(wù)分類(1)按傳輸內(nèi)容可分為單媒體通信與多媒體通信；(2)按傳輸方向可分為單向傳輸與交互傳輸；(3)按傳輸帶寬可分為窄帶通信與寬帶通信；(4)按傳輸時間可分為實時通信與非實時通信。2)按傳輸介質(zhì)分類(1)有線通信。有線通信的傳輸介質(zhì)為電纜和光纜；(2)無線通信。無線通信借助于電磁波在自由空間的傳播來傳輸信號，根據(jù)波長不同可分為中長波通信、短波通信和微波通信等。

3)按調(diào)制方式分類(1)基帶傳輸?；鶐鬏攲⑽唇?jīng)調(diào)制的信號直接在線路上傳輸。(2)頻帶傳輸（調(diào)制傳輸）。頻帶傳輸先對信號進(jìn)行調(diào)制后再進(jìn)行傳輸。

4)按信道中傳輸?shù)男盘柗诸惏葱诺乐袀鬏數(shù)男盘柗诸悾煞譃槟M通信和數(shù)字通信。5)按收發(fā)者是否運(yùn)動分類

按收發(fā)者是否運(yùn)動分類，可分為固定通信和移動通信。6)按多地址接入方式分類按地址接入方式分類，可分為頻分多址、時分多址、碼分多址通信等。7)按用戶類型分類按用戶類型分類，可分為公用通信和專用通信。4.通信系統(tǒng)的質(zhì)量評價1)有效性指標(biāo)

有效性是指信道資源的利用效率（即系統(tǒng)中單位頻帶傳輸信息的速率問題）。模擬通信系統(tǒng)的有效性指標(biāo)通常采用“系統(tǒng)有效帶寬”來進(jìn)行描述；數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標(biāo)通常采用“傳輸容量”來進(jìn)行描述。

2)可靠性指標(biāo)可靠性是指通信系統(tǒng)傳輸消息的質(zhì)量（即傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度問題）。模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)通常采用“輸出信噪比”來衡量。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)通常采用“傳輸差錯率”來衡量。4.1.2相關(guān)技術(shù)簡介1.GSM通信系統(tǒng)

全球移動通信系統(tǒng)(GSM)屬第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)，在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，合理有效的利用GSM網(wǎng)絡(luò)資源，可以避免組建專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的成本費(fèi)用高，通訊距離短，通訊效果差等諸多難題。如圖4.3所示，GSM通信系統(tǒng)主要是由交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NetworkStationSystem，NSS)，無線基站子系統(tǒng)(BaseStationSystem，BSS)和移動臺(MobileStation，MS)三大部分組成。圖4.3GSM通信系統(tǒng)(1)移動臺(Mboilestatnin，MS)。通過無線接入進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)，完成各種控制和處理以提供主叫或被叫通信服務(wù)。(2)基站子系統(tǒng)(BasestationSubsystem，Bss)。負(fù)責(zé)無線傳輸，執(zhí)行固定網(wǎng)與移動用戶間的接口功能，提供移動臺MS和GSM網(wǎng)絡(luò)間無線信令和話音、數(shù)據(jù)信息交換。(3)網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)(NetwokrSwitehingsubsystem，Nss)。負(fù)責(zé)管理GSM系統(tǒng)內(nèi)部的用戶之間以及與其它電信網(wǎng)用戶之間的通信。GSM網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人系統(tǒng)中，可以提供多種服務(wù)。例如，可以利用全球定位系統(tǒng)和GSM短信服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)機(jī)器人的定位、監(jiān)控、調(diào)度指揮。

2.CDMA通信系統(tǒng)CDMA又稱碼分多址，是在無線通信中使用的技術(shù)，在蜂窩移動通信各種技術(shù)體制中，碼分多址(Code-DivisionMultipleAccess，CDMA)占有十分重要的地位，它不僅是第二代數(shù)字蜂窩移動通信的兩大體制(歐洲的GSM和北美的IS-95)之一，而且是第三代移動通信的主要體制。3.常用短距離無線技術(shù)

1)ZigBee隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)與智能家居概念的宣傳，ZigBee開始進(jìn)入我們的視線。ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，由ZigBee聯(lián)盟制定，具有自組網(wǎng)、低速率、低功耗的特點(diǎn)，尤其適合小型設(shè)備組網(wǎng)的需要。

2)WifiWifi被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、平板電腦中，用于支持設(shè)備通過無線的方式連接互聯(lián)網(wǎng)。Wifi的通信吞吐率很高，且與現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有良好的兼容性。

3)藍(lán)牙藍(lán)牙技術(shù)的創(chuàng)始人是愛立信公司，用于手機(jī)與外圍設(shè)備的連接，如藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙GPS等。藍(lán)牙使用時分雙工的模式來實現(xiàn)全雙工通訊，是一種特殊的2.4G無線技術(shù)，遵循IEEE802.15.1協(xié)議。藍(lán)牙具有通訊速率快、連接簡單、全球通用、功耗低等特點(diǎn)，廣泛用于手機(jī)、計算機(jī)、娛樂外圍設(shè)備之中。

4)IrDAIrDA使用紅外線進(jìn)行通訊，是一種低成本的通訊方案。該標(biāo)準(zhǔn)制定了一個半雙工的通訊系統(tǒng)，通訊范圍1m左右，傳輸角度30到60度。因為使用紅外線作為通訊媒介，IrDA的數(shù)據(jù)傳輸率最大可以達(dá)到4Mbps。IrDA較大的劣勢就是其對傳輸路徑的要求比較高，傳輸距離、收發(fā)角度都有限制，減小了它的應(yīng)用領(lǐng)域。4.2機(jī)器人通信系統(tǒng)4.2.1移動機(jī)器人通信的特點(diǎn)與傳統(tǒng)意義上的有線電話網(wǎng)絡(luò)或者無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)不同，移動機(jī)器人通信的主體是移動機(jī)器人，由于其應(yīng)用背景的不同，而對于通信系統(tǒng)的要求有很大區(qū)別。對于特殊環(huán)境應(yīng)用的移動機(jī)器人，需要特別關(guān)注以下幾方面：1.通信系統(tǒng)的健壯性在移動機(jī)器人系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r提取機(jī)器人系統(tǒng)的信息和發(fā)送控制指令是十分必要的。通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠提供較好的通信質(zhì)量，盡量降低網(wǎng)絡(luò)延遲。對于多移動機(jī)器人系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓龊?，這一點(diǎn)尤其必要。對于戰(zhàn)場或科學(xué)考察等重大意義場合，要求機(jī)器人的通信系統(tǒng)具有出色的健壯性，以確保設(shè)備回收或者數(shù)據(jù)反饋。

2.能量受限由于機(jī)器人采用自身電池供電，不但要提供通信所需電能，更要為行走、實物操作等對能量有較大需求的模塊提供能量。但是其能量極其有限，這關(guān)系著系統(tǒng)的生存能力和安全性。一般來講通信模塊能量的消耗，包括發(fā)射能耗、計算能耗、存儲能耗。因此，在設(shè)計移動機(jī)器人的通信系統(tǒng)時，有必要考慮其能量特性，盡可能采用能量消耗較少的系統(tǒng)設(shè)計。3.體積受限通信模塊過大，會帶來安裝上的不便，同時還會給機(jī)器人驅(qū)動模塊帶來額外的負(fù)荷，降低機(jī)器人的靈活性，限制其應(yīng)用場合。4.2.2移動機(jī)器人通信系統(tǒng)的評價指標(biāo)綜合以上特點(diǎn)，設(shè)計移動機(jī)器人通信系統(tǒng)時需要考慮以下幾個因素:

1.可靠性機(jī)器人通信系統(tǒng)在工作時間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力。2.能量效率機(jī)器人的電能利用效率是否達(dá)標(biāo)。3.帶寬帶寬（bandwidth）是指在固定的時間可傳輸資料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。對于數(shù)字信號而言，帶寬指單位時間能通過鏈路的數(shù)據(jù)量。4.QoSQoS(QualityofService，服務(wù)質(zhì)量)指一個網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，是網(wǎng)絡(luò)的一種安全機(jī)制，是用來解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題的一種技術(shù)。4.2.3移動機(jī)器人通信系統(tǒng)設(shè)計1.有線通信與無線通信方案的考慮

有線通信與無線通信的比較如表4-1所示。

有線通信無線通信優(yōu)勢①信號穩(wěn)定，抗干擾效果好，②對人體輻射小，安全可靠①方便快捷②投資小劣勢①有固定線的束縛，不夠方便②投資建設(shè)成本大①信號不穩(wěn)定，易被干擾②安全問題，任何同頻率的信號都有可能控制機(jī)器人或使得信號擁塞③頻譜是一個稀缺資源，使用無線信道需要協(xié)調(diào)表4-1無線通信和有限通信的比較

2.無線通信的比特率與傳輸距離由于提供低功耗下的高速連接，WiFi成為了目前最流行的無線標(biāo)準(zhǔn)。它的傳輸距離在l00m左右，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通常由小范圍內(nèi)的互聯(lián)接入點(diǎn)組成。覆蓋距離有限使這種網(wǎng)絡(luò)被限制在辦公建筑、家用或其他室內(nèi)環(huán)境中。WiFi對于室內(nèi)使用的移動機(jī)器人和其人類操縱者是個不錯的選擇。如果機(jī)器人需要室外環(huán)境中的導(dǎo)航，第三代(3G)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)能提供最好的可用覆蓋網(wǎng)絡(luò)。4.3多機(jī)器人通信

4.3.1多機(jī)器人通信模式一般來說，機(jī)器人之間的通信可以分為隱式通信和顯式通信兩種模式。圖4.4機(jī)器人的通信

1.顯式通信顯式通信包括直接通信和間接通信兩種。1)直接通信要求發(fā)送者和接收者保持一致，即通信時發(fā)送者和接收者同時在線，因此需要一種通訊協(xié)議。

2)間接通信不需要發(fā)送者與接收者保持一致。廣播是一種間接通信類型，它不要求一定有接收者，也不保證信息是否正確地傳送給接收者。監(jiān)聽(或觀察)是另一種類型的間接通信，它側(cè)重于信息接收者接收信息的方式。

2.隱式通信隱式通信是指多機(jī)器人系統(tǒng)通過外界環(huán)境和自身傳感器來獲取所需的信息并實現(xiàn)相互之間的協(xié)作，機(jī)器人之間沒有通過某種共有的規(guī)則和方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和信息交換來實現(xiàn)特定含義信息的傳遞。

1)感知通信多機(jī)器人系統(tǒng)感知問題時，多機(jī)器人系統(tǒng)就充分利用了基于自身傳感器信息的隱式通信，通過感知環(huán)境的變化，并依據(jù)機(jī)器人內(nèi)部一定的推理、理解模型來進(jìn)行相應(yīng)的決策和協(xié)作。2)環(huán)境通信機(jī)器人在通過傳感器獲取外界環(huán)境信息的同時也可能獲取到其它機(jī)器人遺留在環(huán)境中的某些特定信息，從而進(jìn)行信息傳遞。3.通信模式的實現(xiàn)隱式通信與顯式通信是多機(jī)器人系統(tǒng)各具特色的兩種通信模式，如果將兩者各自的優(yōu)勢結(jié)合起來，則多機(jī)器人系統(tǒng)就可以靈活地應(yīng)對各種動態(tài)未知環(huán)境，完成許多復(fù)雜任務(wù)。利用顯式通信進(jìn)行少量的機(jī)器人之間的上層協(xié)作，通過隱式通信進(jìn)行大量的機(jī)器人之間的底層協(xié)調(diào)，在出現(xiàn)隱式通信無法解決的沖突或死鎖時，再利用顯式通信進(jìn)行少量的協(xié)調(diào)工作加以解決。這樣的通信結(jié)構(gòu)既可以增強(qiáng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)協(xié)作能力、容錯能力，又可以減少通信量，避免通信中的瓶頸效應(yīng)。4.3.2多機(jī)器人通信模型在計算機(jī)系統(tǒng)中，目前常用的通信模型有“客戶/服務(wù)器”模型(C/SClient/Server)和“點(diǎn)對點(diǎn)”模型(P2P:Peer-to-Peer)。

1.C/S模型在基于C/S模型的通信系統(tǒng)中，機(jī)器人之間的通信必須通過服務(wù)器“中轉(zhuǎn)”，系統(tǒng)具有中心服務(wù)器，所有客戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)行雙向通信，客戶進(jìn)程間無直接通路。C/S通信模型如圖4.5所示，C/S通信適用于需要集中控制的場合，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，便于錯誤診斷及系統(tǒng)維護(hù)。一方面，中心服務(wù)器利用其特殊地位了解各客戶機(jī)的需求，這有利于對客戶進(jìn)程的管理以及實現(xiàn)通信資源的合理分配與調(diào)度。另一方面，客戶間進(jìn)程通信效率低，中心服務(wù)器工作負(fù)荷大，其錯誤會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。圖4.5C/S通信模型2.P2P模型如圖4.6所示，P2P通信模型由中心結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉植际浇Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間通信不經(jīng)過中心服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接進(jìn)行通信，提高了通信效率。系統(tǒng)運(yùn)行不依賴于模型中某個節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)負(fù)載較為均衡、可靠性高。P2P模型中，由于智能體的對等特性，那么每個智能體都要保存所有智能體的狀態(tài)信息，增加了本地的存儲負(fù)擔(dān)，智能體內(nèi)部狀態(tài)的任何變化都必須及時通知其它智能體，增加了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)；每個智能體都必須處理控制或調(diào)度相關(guān)的計算，增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。圖4.6P2P通信模型4.4多機(jī)器人通信舉例

4.4.1基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人通信基于web的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人是指將機(jī)器人與Internet連接，使得人們可以在任何地方通過瀏覽器訪問機(jī)器人，實現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4.7中給出了一種基于web的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)從功能上包括web服務(wù)器，應(yīng)用程序服務(wù)器，圖像服務(wù)器，機(jī)器人控制服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器五個部分。(1)Web服務(wù)器。負(fù)責(zé)提供用戶訪問界面，遠(yuǎn)程注冊服務(wù)，并進(jìn)行訪問權(quán)限設(shè)置和身份確認(rèn)。(2)應(yīng)用程序服務(wù)器。負(fù)責(zé)接受客戶端控制命令發(fā)送和進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議命令的解析，并直接調(diào)用機(jī)器人服務(wù)器相應(yīng)的控制命令。圖4.7機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)圖像服務(wù)器。負(fù)責(zé)采集移動機(jī)器人及現(xiàn)場場景圖像，進(jìn)行圖像處理以后將視頻圖像實時地傳輸給遠(yuǎn)端用戶，并存入機(jī)器人圖像數(shù)據(jù)庫。(4)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。負(fù)責(zé)提供存儲、管理系統(tǒng)運(yùn)行中所要用到的數(shù)據(jù)，主要包括用戶數(shù)據(jù)庫、圖像數(shù)據(jù)庫和機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)庫。(5)機(jī)器人控制服務(wù)器。主要提供本地的人機(jī)交互界面，可以使操作人員對機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、任務(wù)的指定等。2.基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制需要解決的問題(1)時間延遲由于受帶寬和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的影響，網(wǎng)絡(luò)的長時間延遲具有不確定性。(2)系統(tǒng)安全性與其它的Internet站點(diǎn)一樣，基于網(wǎng)絡(luò)程機(jī)器人控制站點(diǎn)也要面對網(wǎng)絡(luò)上潛在的惡意攻擊。4.4.2集控式器人足球通信系統(tǒng)圖4.8為Mirosot機(jī)器人足球比賽賽場的全視圖。根據(jù)不同的場地，可分為小型組(3V3)、中型組(5V5)、大型組(11V11)比賽。圖4.8足球機(jī)器人比賽平臺示意圖如圖4.9所示，通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)主機(jī)和足球機(jī)器人之間信息的傳