基于网络控制的智能机器人无线通信系统的设计

眭泽智 邹铁城

(中南大学信息科学与工程学院智能科学与技术系,湖南长沙 410083)

基于网络控制的智能机器人无线通信系统的设计

眭泽智 邹铁城

(中南大学信息科学与工程学院智能科学与技术系,湖南长沙 410083)

针对移动机器人的智能控制的需求,本文设计了一种基于无线网络控制的智能机器人通信系统。首将与控制器与机器人之间的网络拓扑结构设定为多节点连接方式,同时将多个机器人及设备互联成机器人智能控制网络,然后机器人与控制器之间信号采用分层递减的结构进行传输,最后根据无线网络控制系统的特点尤其特别是在时延问题上进行信号传输的优化,从而实现智能控制系统的可靠的无线通信功能。研究实践表明该通信控制系统能很好的满足智能机器人的移动智能控制需求,较普通的单链接模式在效率可靠性方面有明显提高。

智能控制 机器人 信号传输 通信控制

1 引言

近几年网络技术和机器人技术的快速发展,网络通信与控制技术相结合已成为机器人研究领域的热点,同时嵌入式系统以其体积小、性价比高、实时性强、稳定性好等特点得到了广泛的应用。基于无线局域网的多机器人控制系统正是上述两种技术结合的产物。传统的局域网采用有线接入方式,难以满足移动机器人的需求。无线局域网是以无线信道作为传输媒体,具有传输速率高、抗干扰性强、网络保密性好的特点。而机器人技术的发展,单个机器人的能力、鲁棒性、可靠性、效率等都有很大的提升。但面对一些复杂的、需要高效率的、并行完成的任务时,单个机器人则难以胜任。为了解决这个问题,机器人学的研究一方面进一步开发智能更高、能力更强、柔性更好的机器人;另一方面在现有机器人的基础上,通过多个机器人之间的协调工作来完成复杂的任务。

2 基于网络控制的智能机器人无线通信系统的设计

在机器人足球比赛中,无线通讯子系统是连接主机和机器人的纽带,根据国际足球机器人联盟的规定,机器人必须以无线方式实现与主机之间的通讯。作为MiroSot系统一个重要组成部分,无线通讯予系统性能的好坏将决定比赛能否顺利进行。如果通信过程有误差,将导致机器人动作错误,或者失去控制,甚至会直接影响比赛的顺利进行。所以通信系统的设计与研究要求有较高的可靠性。

2.1 无线通信子系统的工作原理

按比赛要求建立由内嵌决策子系统的PC机作为服务器,服务器通过RS232或USB外接一个无线发送器,每一个包含无线接收器的足球机器人都是终端,多个终端和服务器就构成了点对多点的无线通讯系统。数据传给无线模块后,当需要无线传输时由模块自动对数据进行按无线数据协议进行打包发送等操作。使用无线模块就像使用其他RS232或USB通讯设备一样,只要按上述协议格式进行控制即可,对发送和接受的数据进行定义、解析,使其代表不同的意义,就可达到控制目的。

决策子系统对足球机器人的通讯是单向的,采用广播式无线通讯方式:每个控制周期无线数据发射器发射一帧数据给本方所有机器人,各机器人根据自身编号设定读取数据帧的不同字段,获得自己的运动控制指令。

2.2 无线通讯子系统的硬件部分

目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛系统的研究,大部分单位都采用英国Radiometrix公司生产的BIM模块作为机器人小车的无线收发器。型号为BIM-418-F和BIM-433-F,载波频率分别为418MHz和433MHz,但是BIM模块价钱昂贵,无线数据传输带宽较小(最大只达40kbit/s),体积较大(约33mm×23mm×10mm,占机器人小车体积的2/5),并且相近频率干扰和模块内部干扰较严重。针对上述BIM模块的缺点,采用了基于nRF2401A的无线通信模块PTR4000来实现足球机器人无线通信子系统。

2.3 无线通信数据传送方式及通信协议

无线通信容易受到噪声的影响,因此通信协议应该首先能够区分噪声和有效数据,实验表明OxFF后跟OxAA在噪声中不容易出现,所以在数据包前面加开始字节OxFF后跟OxAA表示有效数据开始传送,而在接收协议中规定只接收以OxFF后跟OxAA开始的数据包;另外由于在发送时第一个字节的数据容易丢失,所以发送协议开始应该以一个以上任意内容的字节开头,本系统仍使用OxFFOxAA;上位机发送给每个机器人小车的控制命令包含3个字节,分别代表每个机器人的标识(Ni)、左轮速度(Li)和右轮速度(Ri),分别为1个字节。采取校验和方式,占用1个字节。在机器人足球比赛中,最大型的硬件组比赛是FIRA MTROSOT ll VS 11比赛,系统中控制命令字应该包括本方11个机器人的左右轮速度。

2.4 新型无线通信子系统的软件研究

通讯子系统软件研究主要包括对PTR4000的初始化和数据的发送与接收以及软件延时程序的编写。要使PTR4000上电后正常工作,必须对其进行初始化配置。PTR4000具有直接模式(Direct Mode)和突发模式(ShockBurstTM)两种工作模式。ShockBurstTM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,但高速(1Mbps)发射,这样可以尽量节能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行。

3 总价

基于无线局域网的移动机器人远程控制系统的应用,使机器人摆脱了对上位控制PC端在地域上的依赖,机器人在工作中,远程控制人员可时时刻刻观察机器人的工作状态,并对工作环境改变或突发事件对机器人进行实时控制及处理,提高了移动机器人的灵活性,与此同时本方案采取了小巧嵌入式主板,增强了机器人自处理信息的速度,提高了感知环境的能力。基于分布式模块化的思想增强了机器人各部件的可移植性。

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眭泽智(1992－),男,本科在读,主要研究领域为机器人控制,信号处理。邹铁城(1992－),男,本科在读,主要研究领域为智能控制,遗传算法。