移動(dòng)機(jī)器人原理與技術(shù) 課件 第7、8章 移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別與控制、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)用第七章

移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別與控制語(yǔ)音信號(hào)的特征提取聲學(xué)模型7.1移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)7.27.3移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制7.47.1移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)由以下幾個(gè)過程來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括：語(yǔ)音控制信號(hào)的預(yù)處理、特征參數(shù)的提取、語(yǔ)音控制信號(hào)的訓(xùn)練和識(shí)別。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的整體框圖7.1移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)語(yǔ)音信號(hào)處理和特征提取部分以語(yǔ)音音頻信號(hào)為輸入，通過消除噪聲和信道失真對(duì)語(yǔ)音音頻信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域，利用端點(diǎn)檢測(cè)的方法檢測(cè)出有效的語(yǔ)音段，并為后面的聲學(xué)模型提取合適的有代表性的語(yǔ)音信號(hào)特征。聲學(xué)模型是對(duì)聲學(xué)、語(yǔ)音學(xué)、環(huán)境的變量、說(shuō)話人性別、口音等的差異的知識(shí)表示，聲學(xué)模型對(duì)語(yǔ)音特征進(jìn)行訓(xùn)練，得到每一個(gè)語(yǔ)音特征在聲學(xué)特征上的概率。7.1移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)語(yǔ)言模型是對(duì)一組字序列構(gòu)成的知識(shí)表示，通過對(duì)大量文本信息進(jìn)行訓(xùn)練，計(jì)算出該語(yǔ)音信號(hào)中單個(gè)字或詞可能對(duì)應(yīng)的詞組序列相互關(guān)聯(lián)的概率。語(yǔ)音數(shù)據(jù)的模板匹配和結(jié)果分析階段就是通過聲學(xué)模型、字典、語(yǔ)言模型對(duì)提取語(yǔ)音特征后的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行詞組序列的解碼，得到最后可能的文本表示并輸出結(jié)果，將匹配上的控制命令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)動(dòng)作，移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。7.2語(yǔ)音信號(hào)的特征提取語(yǔ)音信號(hào)的特征提取就是從說(shuō)話人的語(yǔ)音信號(hào)中提取出表示說(shuō)話人個(gè)性的基本特征。常見的說(shuō)話人特征包括語(yǔ)音幀能量、基音周期、線性預(yù)測(cè)系數(shù)、共振峰頻率及帶寬、鼻音聯(lián)合特征、譜相關(guān)特征、相對(duì)發(fā)音速率特征、線性預(yù)測(cè)系數(shù)倒譜以及音調(diào)輪廓特征等。7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理的目的是消除因?yàn)槿祟惏l(fā)聲器官本身和由于采集語(yǔ)音信號(hào)的設(shè)備所帶來(lái)的混疊、高次諧波失真、高頻等等因素對(duì)語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量的影響。盡可能保證后續(xù)語(yǔ)音處理得到的信號(hào)更均勻、平滑,為信號(hào)參數(shù)提取提供優(yōu)質(zhì)的參數(shù),提高語(yǔ)音處理質(zhì)量。預(yù)處理一般包括預(yù)加重、分幀和加窗等。7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理1．語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重預(yù)加重的作用是消除語(yǔ)音信號(hào)在低頻段的干擾使其頻譜變得平坦，它將有利于對(duì)后續(xù)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析。預(yù)加重的計(jì)算表達(dá)式為：x(n)表示的是在n時(shí)刻語(yǔ)音信號(hào)的采樣值，α為語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)加重因子且α接近于1。7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理語(yǔ)音命令信號(hào)“前進(jìn)”預(yù)加重前后的頻譜圖7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理2．語(yǔ)音信號(hào)的分幀語(yǔ)音信號(hào)實(shí)際上是一種時(shí)變的波動(dòng)信號(hào)，但通常在10~30ms內(nèi)被看作是短時(shí)平穩(wěn)的。為了能夠更好地對(duì)預(yù)加重后的短時(shí)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，需要將采集的語(yǔ)音信號(hào)做分幀處理。如圖7-3所示為分幀后的語(yǔ)音信號(hào)的效果圖，其中每幀語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度是幀移的2倍。7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理2．語(yǔ)音信號(hào)的分幀語(yǔ)音信號(hào)分幀示意圖7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理3．語(yǔ)音信號(hào)的加窗語(yǔ)音分幀會(huì)導(dǎo)致語(yǔ)音信號(hào)的頻譜泄露，為了防止這一現(xiàn)象需要對(duì)分幀后的語(yǔ)音信號(hào)加窗，目前使用較普遍的窗函數(shù)有矩形窗和漢明窗。窗長(zhǎng)為L(zhǎng)的矩形窗函數(shù)可表示為：窗長(zhǎng)為L(zhǎng)的漢明窗函數(shù)可表示為：7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理3．語(yǔ)音信號(hào)的加窗矩形窗的時(shí)域和幅頻特性效果圖7.2.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理3．語(yǔ)音信號(hào)的加窗漢明窗的時(shí)域和幅頻特性效果圖7.2.2語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)端點(diǎn)檢測(cè)是指在一段語(yǔ)音信號(hào)中準(zhǔn)確的找出語(yǔ)音信號(hào)的起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)，使有效的語(yǔ)音信號(hào)和無(wú)用的噪音信號(hào)分離。目前常見的方法包括雙門限法、自相關(guān)法、譜熵法和比例法。雙門限法是一種常用的端點(diǎn)檢測(cè)方法，該方法是通過計(jì)算語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量值和短時(shí)過零率值，從而檢測(cè)出有效的語(yǔ)音段。7.2.2語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)1.短時(shí)能量值設(shè)第n幀語(yǔ)音信號(hào)Xn(m)的短時(shí)能量用En表示：短時(shí)能量檢測(cè)可以較好的區(qū)分出濁音與靜音，對(duì)于清音，由于其能量較小，在短時(shí)能量檢測(cè)中會(huì)因?yàn)榈陀谀芰块T限而被誤判為靜音。7.2.2語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)2.短時(shí)過零率值短時(shí)過零率表示一幀語(yǔ)音中語(yǔ)音信號(hào)波形穿過橫軸（零電平）的次數(shù)。它可以用來(lái)區(qū)分靜音和清音，將兩種檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，就可以檢測(cè)出語(yǔ)音段（清音與濁音）與靜音段，從而識(shí)別出語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)。7.2.2語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)2.短時(shí)過零率值語(yǔ)音命令“前進(jìn)”的端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取特征參數(shù)提取的目的是在大量的原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)中提取出能夠表征語(yǔ)音信息的特征，篩選出多余的信息并提高語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的整體性能，梅爾倒譜系數(shù)法（MelFrequencyCepstrumCoefficient,簡(jiǎn)稱MFCC）是語(yǔ)音信號(hào)特征提取方法中最常用且經(jīng)典的方法。Mel濾波器模擬了人耳的聽覺特性，它與頻率的關(guān)系可表示為：Mel(f)為語(yǔ)音命令信號(hào)的感知頻率，f為實(shí)際頻率。7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取感知頻率Mel與實(shí)際頻率f的關(guān)系曲線7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取MFCC特征參數(shù)提取過程7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取MFCC算法提取特征參數(shù)的步驟如下：1.將采集的語(yǔ)音信號(hào)首先做預(yù)加重處理，然后進(jìn)行分幀和加漢明窗。2.快速傅里葉變換（FastFourierTransform,簡(jiǎn)稱FFT）：由于時(shí)域上語(yǔ)音信號(hào)是非平穩(wěn)的難以反映語(yǔ)音信號(hào)的特性，因此需先將其變換到頻域上再進(jìn)行分析，利用FFT變換得到語(yǔ)音信號(hào)在頻譜上的能量值，其計(jì)算公式如下：7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取MFCC算法提取特征參數(shù)的步驟如下：3.通過Mel濾波器組對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的功率譜進(jìn)行濾波處理。在一定Mel頻率范圍內(nèi)，需要設(shè)置一些帶通濾波器H(m,k)并且每個(gè)濾波器在Mel頻率上的寬度都相等，則H(m,k)傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取Mel濾波器組的頻率響應(yīng)曲線7.2.3語(yǔ)音信號(hào)的特征提取計(jì)算由48個(gè)Mel濾波器構(gòu)成Mel濾波器組的H(m,k)，然后再計(jì)算語(yǔ)音信號(hào)的能量譜，其計(jì)算表達(dá)式為：4.將從Mel濾波器中得到的語(yǔ)音信號(hào)的能量值取對(duì)數(shù)，然后進(jìn)行離散余弦變換（DiscreteCosineTransform,簡(jiǎn)稱DCT）即可得出MFCC特征參數(shù)值，其表達(dá)式為：m表示第m個(gè)Mel濾波器，M表示Mel濾波器的總個(gè)數(shù)，i表示的是DCT變換后的譜線，n表示的是第n幀語(yǔ)音信號(hào)7.3聲學(xué)模型7.3.1混合高斯模型高斯混合模型GMM可以看作是由K個(gè)單高斯模型組合而成的模型，這K個(gè)子模型是混合模型的隱變量。高斯混合模型GMM就是用高斯概率密度函數(shù)精確地量化事物，它是一個(gè)將事物分解為若干的基于高斯概率密度函數(shù)形成的模型?；旌细咚狗植嫉母怕拭芏群瘮?shù)為：7.3.1混合高斯模型混合高斯模型及其相關(guān)的參數(shù)變量估計(jì)是一個(gè)不完整數(shù)據(jù)的參數(shù)估計(jì)問題。最大似然準(zhǔn)則估計(jì)方法中的最大期望值算法（ExpectationMaximization，EM）是這一類方法的一個(gè)典型代表。EM算法是在給定確定數(shù)量的混合分布成分的情況下，去估計(jì)各個(gè)分布參數(shù)的最通用的方法。第一階段，期望計(jì)算階段（E步驟）以及最大化階段（M步驟）。7.3.1混合高斯模型EM算法得到的參數(shù)估計(jì)公式為：從E步驟中計(jì)算得到的后驗(yàn)概率如下:7.3.2隱馬爾科夫模型馬爾可夫鏈又稱離散時(shí)間馬爾可夫鏈（discrete-timeMarkovchain），是狀態(tài)空間中經(jīng)過從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的隨機(jī)過程。該過程要求具備“無(wú)記憶”的性質(zhì)：下一狀態(tài)的概率分布只能由當(dāng)前狀態(tài)決定，在時(shí)間序列中它前面的事件均與之無(wú)關(guān)，這種特定類型的“無(wú)記憶性”稱作馬爾可夫性質(zhì)。馬爾可夫鏈實(shí)際上就是一個(gè)隨機(jī)變量隨時(shí)間按照Markov性質(zhì)進(jìn)行變化的過程。7.3.2隱馬爾科夫模型在馬爾可夫鏈的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，用一個(gè)觀測(cè)的概率分布與馬爾可夫鏈上的每個(gè)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，這樣引入雙重隨機(jī)性，使得馬爾可夫鏈不能被直接觀察，因此稱為隱馬爾可夫模型(HMM)，HMM在實(shí)現(xiàn)過程中表現(xiàn)出了雙重隨機(jī)性的特點(diǎn)，其中之一是馬爾科夫鏈，它把一段語(yǔ)音信號(hào)的輸出和每一個(gè)狀態(tài)看成一一對(duì)應(yīng)的過程，是可觀測(cè)的，另一個(gè)用來(lái)描述狀態(tài)和觀測(cè)值之間的統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系的過程，是不可觀測(cè)的。將這兩個(gè)隨機(jī)過程有機(jī)結(jié)合起來(lái)可較好地處理語(yǔ)音信號(hào)之間的動(dòng)態(tài)變化和語(yǔ)音特征的短時(shí)平穩(wěn)問題。7.3.2隱馬爾科夫模型隱馬爾可夫模型主要由初始概π率、轉(zhuǎn)移概率A、輸出概率B三個(gè)參數(shù)決定。該模型就是利用這三個(gè)參數(shù)來(lái)處理語(yǔ)音特征的短時(shí)平穩(wěn)性。HMM模型拓?fù)鋱D7.3.2隱馬爾科夫模型一個(gè)HMM模型可以用下列參數(shù)描述：1.N，定義N個(gè)狀態(tài)θ1,θ2,...,θN為馬爾科夫鏈，定義qt是馬爾科夫鏈在t時(shí)刻所得出的觀測(cè)值，qt∈(θ1,θ2,...,θN)表示語(yǔ)音信號(hào)處于某個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)；2.M，每個(gè)狀態(tài)可能對(duì)應(yīng)觀察值的數(shù)量。定義M個(gè)觀察值V1,V2,...,VM3.π，初始狀態(tài)概率，，其中π=(π1,π2,...,πN)，其中7.3.2隱馬爾科夫模型一個(gè)HMM模型可以用下列參數(shù)描述：4.A，狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，

，其中5.B，觀察值概率矩陣，

，其中在描述一個(gè)HMM模型時(shí)，其狀態(tài)數(shù)量和觀測(cè)值的數(shù)量是已知的，因此HMM模型也可記為：7.3.2隱馬爾科夫模型HMM模型主要由兩部分構(gòu)成，一是馬爾科夫鏈，它是由參數(shù)、確定的，輸出的結(jié)果是語(yǔ)音特征值的狀態(tài)序列，二是由參數(shù)確定的一個(gè)隨機(jī)過程，輸出結(jié)果是語(yǔ)音特征值的觀測(cè)序列。HMM組成示意圖7.3.3GMM-HMM聲學(xué)模型使用GMM對(duì)HMM每個(gè)狀態(tài)的語(yǔ)音特征分布進(jìn)行建模，有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。只要混合的高斯分布數(shù)目足夠多，GMM可以擬合任意精度的概率分布，并且它通過EM算法很容易擬合數(shù)據(jù)。GMM參數(shù)通過EM算法的優(yōu)化，可以使其在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上生成語(yǔ)音觀察特征的概率最大化。在此基礎(chǔ)上，若通過鑒別性訓(xùn)練，基于GMM-HMM的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率可以得到顯著提升。7.3.3GMM-HMM聲學(xué)模型基于GMM-HMM的聲學(xué)模型7.3.3GMM-HMM聲學(xué)模型GMM-HMM聲學(xué)模型中語(yǔ)音特征的最佳觀測(cè)序列如下：k表示第i個(gè)狀態(tài)時(shí)輸出語(yǔ)音特征觀測(cè)序列中所包含高斯分量的數(shù)量，ωik表示第i個(gè)狀態(tài)時(shí)輸出語(yǔ)音特征觀測(cè)序列的權(quán)重值，uik表示i狀態(tài)時(shí)輸出語(yǔ)音特征觀測(cè)序列的均值，D表示語(yǔ)音特征向量O的維數(shù)，

表示i狀態(tài)時(shí)輸出語(yǔ)音特征觀測(cè)序列的協(xié)方差矩陣，GMM模型通過加權(quán)集成多個(gè)語(yǔ)音信號(hào)的高斯分量來(lái)描述其語(yǔ)音特征的空間分布，利用EM算法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)集進(jìn)行聲學(xué)模型的建模與迭代訓(xùn)練。7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制對(duì)于沒有應(yīng)用ROS系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人，現(xiàn)階段的絕大多數(shù)智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)都采用市場(chǎng)上的硬件模塊作為語(yǔ)音識(shí)別單元，常用的有LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片和智能語(yǔ)音控制模組YQ5969系列，這些均是非特定語(yǔ)音識(shí)別芯片，只針對(duì)相同的語(yǔ)言進(jìn)行識(shí)別，和人的年齡、性別等差異無(wú)關(guān)。百度智能語(yǔ)音等開發(fā)平臺(tái)提供了智能語(yǔ)音開發(fā)工具包SDK，使得二次開發(fā)更為方便快捷，使用語(yǔ)音API即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別與合成等功能。7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制對(duì)于應(yīng)用ROS的移動(dòng)機(jī)器人，則使用基于Linux系統(tǒng)的SDK編寫語(yǔ)音識(shí)別節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)開始運(yùn)行時(shí)，通過麥克風(fēng)接受語(yǔ)音信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的文字，文字信息與指令庫(kù)中的信息比較，匹配成功的情況下通過特定的主題發(fā)布。移動(dòng)機(jī)器人控制節(jié)點(diǎn)通過訂閱這個(gè)主題接收文字指令，并且將其發(fā)送給移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的主控制器，主控制器通過驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而完成語(yǔ)音控制。7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制流程7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制ROS中，一般使用C++和Python語(yǔ)言編寫語(yǔ)音處理和識(shí)別的相關(guān)程序，并形成語(yǔ)音控制系統(tǒng)所需的語(yǔ)音采集軟件包、語(yǔ)音處理軟件包、語(yǔ)音識(shí)別算法軟件包和移動(dòng)機(jī)器人控制軟件包，在ROS系統(tǒng)中對(duì)編寫的各個(gè)軟件包進(jìn)行g(shù)cc編譯生成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，編寫launch文件，通過ROS的通信機(jī)制將各個(gè)獨(dú)立的模塊串接起來(lái)完成整個(gè)語(yǔ)音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制ROS系統(tǒng)下語(yǔ)音控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制節(jié)點(diǎn)/audio_capture來(lái)獲取通過麥克風(fēng)采集的語(yǔ)音控制信號(hào)，并發(fā)布消息到/microphone話題；節(jié)點(diǎn)/wakeup_node訂閱//microphone話題，檢測(cè)輸入的語(yǔ)音控制信號(hào)是否為有效的語(yǔ)音信號(hào)，來(lái)啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，然后，將有效語(yǔ)音控制信號(hào)作為消息發(fā)送到/asr_topic話題；節(jié)點(diǎn)/asr_node訂閱/asr_topic話題，把檢測(cè)到的有效語(yǔ)音控制信號(hào)發(fā)送到語(yǔ)言庫(kù)進(jìn)行匹配，并發(fā)布該消息到/command_topic話題；7.4移動(dòng)機(jī)器人語(yǔ)音控制節(jié)點(diǎn)/command_node訂閱/command_topic話題，經(jīng)過語(yǔ)音匹配和處理，判斷機(jī)器人應(yīng)該執(zhí)行哪個(gè)命令，并把該消息發(fā)布到/move_topic話題；節(jié)點(diǎn)/voice_node訂閱/move_topic話題，接收語(yǔ)音控制命令并傳輸給Turtlebot移動(dòng)機(jī)器人，從而控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。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標(biāo)準(zhǔn)，從而使得不同廠家的便攜設(shè)備能夠在沒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)，初始化的過程就是將藍(lán)牙服務(wù)打開，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)聽的套接字并無(wú)變化，依舊進(jìn)行監(jiān)聽。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