移動(dòng)機(jī)器人原理與技術(shù) 課件 第八章 移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)原理與應(yīng)用第八章

移動(dòng)機(jī)器人的通信系統(tǒng)AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人通信8.1現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)8.28.38.1現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)8.1.1GSM通信系統(tǒng)GSM是世界上第一個(gè)對(duì)數(shù)字調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)作了規(guī)定的蜂窩系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡(luò)一共有4種不同的蜂窩單元尺寸：巨蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同的環(huán)境而不同。巨蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩則是那些天線高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市區(qū)內(nèi)。8.1.1GSM通信系統(tǒng)微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的范圍，主要用于室內(nèi)。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區(qū)，填補(bǔ)蜂窩之間的信號(hào)空白區(qū)域。蜂窩半徑范圍根據(jù)天線高度、增益和傳播條件可以從百米以上至數(shù)十公里。實(shí)際使用的最長(zhǎng)距離GSM規(guī)范支持到35公里。蜂窩移動(dòng)通信的出現(xiàn)是一次移動(dòng)通信革命。由于頻率的復(fù)用，大大提高了頻率復(fù)用率并增大了系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡(luò)的智能化實(shí)現(xiàn)了越區(qū)轉(zhuǎn)接和漫游功能，擴(kuò)大了客戶的服務(wù)范圍，但也存在著帶寬無(wú)法滿足信息內(nèi)容的局限。8.1.2CDMA通信系統(tǒng)CDMA，碼分多址，是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種嶄新而成熟的無(wú)線通信技術(shù)，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括北美的IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，CDMA通信技術(shù)已經(jīng)成為了第三代通信技術(shù)（3G）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）引入了MIMO無(wú)線通信技術(shù)，將寬帶互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無(wú)限通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域和傳輸質(zhì)量，滿足了語(yǔ)音、視頻等等信息的傳輸，但傳輸速度仍然有提升空間,目前，5G技術(shù)已經(jīng)在世界上很多地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用。8.1.3紅外通信技術(shù)紅外通信是利用紅外線作為通信載體的一種無(wú)線通信技術(shù)。紅外線是電磁波的一個(gè)部分，比可見(jiàn)光略短，但是攜帶的信息量較大。紅外傳輸一般由紅外發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對(duì)一個(gè)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，一般利用波長(zhǎng)850~900nm的紅外線傳輸，采用ASK、PPW等調(diào)制方式將二進(jìn)制調(diào)制成脈沖序列，驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射管向外發(fā)送紅外光，接收端則將收到的紅外光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)后還原成二進(jìn)制數(shù)，就構(gòu)成了紅外通信系統(tǒng)。8.1.3紅外通信技術(shù)紅外通信的傳輸方式主要有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式和廣播的方式。1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸時(shí)指使用高度聚焦的紅外線光束發(fā)送信息或者控制遠(yuǎn)距離信息的紅外傳輸方式。局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)都可以使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式在短距離和遠(yuǎn)距離上傳輸數(shù)據(jù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外傳輸使用在局域網(wǎng)中，用來(lái)將距離較近的建筑連接起來(lái)。優(yōu)點(diǎn)是：使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外介質(zhì)可以減少衰減，使得偷聽(tīng)困難安全性高；適合較短距離通信傳輸速率較高；保密性強(qiáng)、信息容量大；構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用較為靈活；有較的方向性。缺點(diǎn)是：易受到塵埃、雨水8.1.3紅外通信技術(shù)的影響；強(qiáng)遠(yuǎn)距離通信，通常需要高功率激光發(fā)射器，造成費(fèi)用昂貴；容易受到強(qiáng)光干擾。2.廣播方式：紅外廣播系統(tǒng)向一個(gè)廣大的區(qū)域傳送信號(hào)，并且允許多個(gè)接收器同時(shí)接收信號(hào)。它的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可移動(dòng)性，相對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)工作站和其他設(shè)備可以更容易的移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是：安裝簡(jiǎn)單，只要設(shè)備有暢通的信道和足夠強(qiáng)度的信號(hào)，就可以安裝到信號(hào)能到達(dá)的任何地方，使得重新構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)容易；缺點(diǎn)：信號(hào)衰減受到光強(qiáng)和純凈介質(zhì)影響；電磁干擾無(wú)法避免。8.1.3紅外通信技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低等特點(diǎn)，紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的廣泛兼容性可以為用戶提供更多的選擇的無(wú)線通信方式，其在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中也得到廣泛應(yīng)用。隨著短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，PAN的概念被提了出來(lái)，也就是所謂的個(gè)人局域網(wǎng)。PAN國(guó)際通信的核心思想是，用無(wú)線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個(gè)人化的信息網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)個(gè)人終端設(shè)備進(jìn)行局域網(wǎng)內(nèi)，以及外網(wǎng)通信。紅外通信技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)PAN的方式。8.1.4藍(lán)牙通信技術(shù)作為一種短距離無(wú)線通信方式，藍(lán)牙通信的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是建立一個(gè)通用的無(wú)線空中接口以及控制軟件的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)，從而使得不同廠家的便攜設(shè)備能夠在沒(méi)有電纜互相連接的情況下在較短距離內(nèi)完成互通。藍(lán)牙通信技術(shù)將內(nèi)嵌藍(lán)牙芯片的設(shè)備互聯(lián)起來(lái)，提供話音和數(shù)據(jù)的接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)交換和處理。從出現(xiàn)至今一直在不斷的更新發(fā)展，并一直在各種移動(dòng)設(shè)備上廣泛使用。8.1.4藍(lán)牙通信技術(shù)藍(lán)牙通信工作在全球通用的免費(fèi)的2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率為IMbps，采用時(shí)分雙工實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸?，F(xiàn)階段藍(lán)牙技術(shù)的主要工作范圍在10米左右，經(jīng)過(guò)增加射頻功率后的藍(lán)牙技術(shù)可以在100米的范圍進(jìn)行工作。紅外和藍(lán)牙參數(shù)比較8.1.5UWB超寬帶通信技術(shù)UWB超寬帶（UltraWideBand）是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線技術(shù)，3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率是UWB所使用的頻率范圍。與IEEE802.1la、IEEE802.1lb和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。其數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s，消耗電能小、保密性好、生產(chǎn)成本低。8.1.5UWB超寬帶通信技術(shù)UWB技術(shù)可實(shí)現(xiàn)短距離高速應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到數(shù)百兆比特每秒，主要是構(gòu)建短距離高速WPAN、家庭無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)以及替代高速率短程有線連接，如無(wú)線USB和DVD，其典型的通信距離是10m。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離（幾十米以上）低速率應(yīng)用，通常數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，主要應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和低速率連接。另外，UWB采用到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）方法實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位，是目前無(wú)線定位最為流行的一種方案。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持，通過(guò)移動(dòng)主機(jī)自由的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。它是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的、臨時(shí)性自治系統(tǒng)。在自組網(wǎng)中，每個(gè)用戶終端不僅能移動(dòng)，而且，兼有路由器和主機(jī)兩種功能。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)主機(jī)的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過(guò)多個(gè)主機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)目的地。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要包括普通移動(dòng)終端和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)功能。依據(jù)功能可以將節(jié)點(diǎn)分為三種，依附的具體設(shè)備分別為：主機(jī)、路由器和電臺(tái)三部分。其中主機(jī)部分完成普通移動(dòng)終端的功能，包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件；路由器部分主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由信息，完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)功能；電臺(tái)主要提供無(wú)線信道支持。在物理結(jié)構(gòu)層面可以將節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分為單主機(jī)但電臺(tái)、單主機(jī)多電臺(tái)、多主機(jī)單電臺(tái)和多主機(jī)多電臺(tái)。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)按AdHoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)劃分：平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)兩種。1.AdHoc網(wǎng)絡(luò)平面結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，也可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)，原則上不存在瓶頸節(jié)點(diǎn)，比較健壯，并且節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍比較小，相對(duì)比較安全。其缺點(diǎn)是當(dāng)用戶較多的時(shí)候，特別是在移動(dòng)的情況下，存在處理能力弱，可擴(kuò)充性差，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變換的路由信息需要大量的控制消息，主要適用于中小型網(wǎng)絡(luò)。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)2.AdHoc網(wǎng)絡(luò)分級(jí)結(jié)構(gòu)在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，將網(wǎng)絡(luò)劃分為簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中，又可以分簇，再次形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，直到最高級(jí)。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以被分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)（1）單頻分級(jí)單頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)圖中，其所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信，為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，需要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的支持。單頻分級(jí)結(jié)構(gòu)8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)（2）多頻分級(jí)在多頻網(wǎng)絡(luò)中不同級(jí)采用不同的通信頻率。低級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)節(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級(jí)節(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍，高級(jí)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信。多頻分級(jí)結(jié)構(gòu)8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)在分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，簇成員的功能比較簡(jiǎn)單、不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這也就大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制數(shù)量，具有平面結(jié)構(gòu)所不具有的良好擴(kuò)充性。由于簇頭節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，分級(jí)結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的抗毀性。分級(jí)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)需要執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭節(jié)點(diǎn)可能會(huì)稱為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。3.多移動(dòng)機(jī)器人AdHoc自組網(wǎng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)可用于多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)自組網(wǎng)，現(xiàn)有的無(wú)線通信方式大都支持構(gòu)建AdHoc網(wǎng)絡(luò)。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)利用藍(lán)牙的方式建立AdHoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在每個(gè)移動(dòng)機(jī)器人本體上都安裝藍(lán)牙設(shè)備，藍(lán)牙技術(shù)將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，利用BNEP藍(lán)牙封裝協(xié)議去定義數(shù)據(jù)包格式，在相同頻段的藍(lán)牙設(shè)備上傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包，使藍(lán)牙設(shè)備有組建網(wǎng)絡(luò)和交換信息的能力。這樣，搭載有藍(lán)牙設(shè)備的移動(dòng)機(jī)器人能夠在規(guī)定的空間范圍內(nèi)自動(dòng)建立相互之間的聯(lián)系，無(wú)需用戶干預(yù)就可以自動(dòng)連接并傳輸數(shù)據(jù)。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)在各移動(dòng)機(jī)器人建立藍(lán)牙通信的過(guò)程中，移動(dòng)機(jī)器人首先將自身的藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙服務(wù)開(kāi)啟，使其隨機(jī)選擇進(jìn)入AdHoc網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。成為主節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙設(shè)備處于偵聽(tīng)的狀態(tài)，并嘗試搜索周圍的設(shè)備，而其他節(jié)點(diǎn)則作為從節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入連接請(qǐng)求狀態(tài)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)后，根據(jù)全球唯一的UUID號(hào)，來(lái)搜索其他移動(dòng)機(jī)器人的藍(lán)牙服務(wù)。只有UUID號(hào)相同的藍(lán)牙設(shè)備才會(huì)被加入到搜索結(jié)果設(shè)備列表中，之后搭載藍(lán)牙設(shè)備的移動(dòng)機(jī)器人可以進(jìn)行正常的通信。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)如果兩個(gè)移動(dòng)機(jī)器人建立了藍(lán)牙連接，一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人扮演主節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人扮演從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)并無(wú)特權(quán)，而是指它控制著移動(dòng)機(jī)器人之間的通信同步，主節(jié)點(diǎn)決定跳頻樣式和跳頻序列的相位，通過(guò)不同的跳頻序列來(lái)識(shí)別每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，并與之通信。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人處在通信范圍內(nèi)的時(shí)候，使用Client/Server模式運(yùn)用Socket套接字編程軟件實(shí)現(xiàn)通信。Sokcet接口實(shí)際是一個(gè)API接口。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的模塊程序要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要為其指定一個(gè)端口來(lái)提供收發(fā)。在創(chuàng)建套8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)接字后，通過(guò)bind函數(shù)和listen函數(shù)，服務(wù)器端在某一端口等待客戶端的連接請(qǐng)求。通過(guò)connect函數(shù)，客戶端則可以向服務(wù)器端發(fā)送一個(gè)連接請(qǐng)求。服務(wù)器端這時(shí)可以通過(guò)accept函數(shù)來(lái)接收連接請(qǐng)求，accept函數(shù)在收到請(qǐng)求后，會(huì)返回得到一個(gè)新的套接字，通過(guò)這個(gè)新的套接字來(lái)與該客戶端進(jìn)行通信。至此，服務(wù)器端和客戶端之間的連接就建立起來(lái)了，接下來(lái)便是通過(guò)receive和send等函數(shù)進(jìn)行通信了。當(dāng)通信結(jié)束的時(shí)候，調(diào)用close函數(shù)來(lái)關(guān)閉套接字，同時(shí)釋放相關(guān)資源。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)Socket通信機(jī)制8.2AdHoc自組網(wǎng)技術(shù)每個(gè)移動(dòng)機(jī)器人都是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，首先初始化各節(jié)點(diǎn)，初始化的過(guò)程就是將藍(lán)牙服務(wù)打開(kāi)，然后隨機(jī)運(yùn)行客戶端程序和服務(wù)器程序，建立通信套接字，服務(wù)器端首先進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，隨后客戶端套接字發(fā)送連接請(qǐng)求，請(qǐng)求到達(dá)服務(wù)器后被動(dòng)接收，需要建立新的套接字進(jìn)行通信，原來(lái)處于監(jiān)聽(tīng)的套接字并無(wú)變化，依舊進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。如果由一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人主動(dòng)發(fā)起連接，其它移動(dòng)機(jī)器人響應(yīng)，它們之間就會(huì)形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成平面結(jié)構(gòu)的AdHoc網(wǎng)絡(luò)形式。8.3基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人通信8.3.1TCP/IP協(xié)議流的操作系統(tǒng)基本上都是采用TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）協(xié)議族，事實(shí)上Internet的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP協(xié)議模型，包含了一系列構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是Internet的核心協(xié)議，通過(guò)20多年的發(fā)展已日漸成熟，并被廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中，目前已成為事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。8.3.1TCP/IP協(xié)議TCP/IP通訊協(xié)議采用了4層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，自底而上分別是數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。每一層完成不同的功能，且通過(guò)若干協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，上層協(xié)議使用下層協(xié)議提供的服務(wù)每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成自己的需求。8.3.1TCP/IP協(xié)議TCP/IP是一個(gè)協(xié)議集，對(duì)Internet中主機(jī)的尋址方式，主機(jī)的命名機(jī)制，信息的傳輸規(guī)則，以及各種服務(wù)功能作了約定。IP協(xié)議是Internet中的交通規(guī)則，連入Internet中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)及處于十字路口的路由器都必須熟知和遵守該交通規(guī)則。IP運(yùn)行于互聯(lián)層。屏蔽各個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)和差異。TCP為傳輸控制協(xié)議，運(yùn)行于傳輸層。利用IP層提供的服務(wù)，提供端到端的可靠的（TCP）服務(wù)。8.3.2基于Internet的遠(yuǎn)