王 振，趙祥模，徐志剛

（長安大學(xué) 陜西省道路交通智能檢測與裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710064）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在越來越多的領(lǐng)域里得到了應(yīng)用。機(jī)器人學(xué)科融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的理論與技術(shù)，是當(dāng)今世界許多前沿領(lǐng)域技術(shù)的綜合體[1]。在眾多的機(jī)器人種類中，特別是RoboCup小型組足球機(jī)器人系統(tǒng)面向交叉學(xué)科，涉及機(jī)械，電子，自動(dòng)控制，檢測，計(jì)算機(jī)乃至信息技術(shù)人工智能，具有廣闊的研究前景。足球機(jī)器人系統(tǒng)（RSS）是一種典型的多機(jī)器人系統(tǒng)，具有開放式、分布式、動(dòng)態(tài)的和實(shí)時(shí)等特點(diǎn)[2]，足球機(jī)器人賽場情況千變?nèi)f化，需要所有機(jī)器人相互協(xié)作對賽場情況作出及時(shí)反映。在整個(gè)機(jī)器人比賽過程中，機(jī)器人子系統(tǒng)從決策子系統(tǒng)獲取信息則是非常重要的環(huán)節(jié)。因此就必須保證通訊系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

目前廣泛采用的無線通訊方式是以中心廣播方式發(fā)送數(shù)據(jù)給所有機(jī)器人，根據(jù)信息中包含的ID來區(qū)分接受對象，在這種通訊方式下，機(jī)器人之間相互孤立的，外界各種各樣的干擾經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某個(gè)機(jī)器人接收不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，就會(huì)對比賽造成很大的影響，同時(shí)這種方式的通訊速率較慢。針對上述通訊存在的不足之處，文中提出了一種改進(jìn)方法，即采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）來實(shí)現(xiàn)信息的無線傳輸，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸模式的局限性，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、自組織性以及網(wǎng)絡(luò)分布式特性，同時(shí)具有低成本、低功耗、超強(qiáng)通信能力、通信距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。保證了系統(tǒng)的可靠性，提高了通訊速率。

1 足球機(jī)器人系統(tǒng)

對足球機(jī)器人的通訊系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)主要是為了達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)：一是為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，二是為了提高通訊速率。足球機(jī)器人無線通訊系統(tǒng)具有一對多，易受干擾影響等特點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)無線通訊系統(tǒng)時(shí)必須要考慮這些因素。典型的足球機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，由4個(gè)子系統(tǒng)[3]構(gòu)成：

1）視覺子系統(tǒng)：攝像機(jī)、圖像處理與識別計(jì)算機(jī)。

2）決策子系統(tǒng)：決策和運(yùn)動(dòng)控制模塊。

3）無線通訊子系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)無線數(shù)據(jù)發(fā)射和足球機(jī)器人的無線數(shù)據(jù)接收模塊。

4）機(jī)器人平臺系統(tǒng)：多個(gè)機(jī)器人小車，無線數(shù)據(jù)接收模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、及其他電子配件。

比賽開始以后，首先由視覺子系統(tǒng)進(jìn)行場景識別，視覺子系統(tǒng)從攝像頭獲得比賽賽場的信息，經(jīng)圖像采集卡采集圖像信息后，計(jì)算機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；然后將信息傳給決策子系統(tǒng)，決策子系統(tǒng)得到球員和球的數(shù)據(jù)結(jié)果信息后，產(chǎn)生各球員的控制命令；再通過通訊子系統(tǒng)將控制命令發(fā)給比賽場地的球員，最后足球機(jī)器人執(zhí)行命令，完成任務(wù)。

無線通訊子系統(tǒng)是足球機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)的任務(wù)是傳送由決策子系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)器人控制指令到足球機(jī)器人接收模塊中。無線通訊子系統(tǒng)的組成包括無線數(shù)據(jù)接收器和無線數(shù)據(jù)發(fā)射器。無線數(shù)據(jù)發(fā)射器是用無線載波形式把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令數(shù)據(jù)發(fā)送出去，無線數(shù)據(jù)接收器接收信號后，解調(diào)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令，其工作原理如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the overall system

圖2 無線通訊子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the wireless communication part

2 傳統(tǒng)的無線通信方式

根據(jù)比賽規(guī)則，足球機(jī)器人的通訊采取無線通訊方式。為了實(shí)現(xiàn)一對多的通訊，傳統(tǒng)的足球機(jī)器人采用廣播方式進(jìn)行通信，所有機(jī)器人采用統(tǒng)一的通訊頻率。而發(fā)給不同的足球機(jī)器人的命令則根據(jù)各自的標(biāo)識位加以區(qū)別。每個(gè)機(jī)器人都能夠接收到上位機(jī)發(fā)送的任一條指令，如果機(jī)器人檢測出信號的某一字節(jié)與自己的標(biāo)識相符，則隨后的命令被判斷為有效，即是執(zhí)行的命令。

2.1 傳統(tǒng)無線通信方式介紹

無線通訊系統(tǒng)的主要任務(wù)就是要將主計(jì)算機(jī)的命令準(zhǔn)確無誤地傳送給機(jī)器人平臺，使足球機(jī)器人按照決策系統(tǒng)的指令做出踢球、帶球、傳球等動(dòng)作。

決策子系統(tǒng)對機(jī)器人平臺的通訊是單向的，采用廣播式的無線通訊方式：每個(gè)控制周期無線發(fā)射器發(fā)射一幀數(shù)據(jù)給本方機(jī)器人，各機(jī)器人平臺根據(jù)自身編號讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得自己的運(yùn)動(dòng)控制指令。廣播式無線通訊示意圖如圖3所示。

圖3 廣播式無線通信Fig.3 Broadcasting wireless communication

2.2 傳統(tǒng)無線通信方式的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的無線通信方式必須依靠點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式來完成信息的傳輸，可以看出，當(dāng)前小型組足球機(jī)器人無線通訊系統(tǒng)的有如下缺點(diǎn)：

1）它是一個(gè)一對多的無線通訊，場上有己方的5個(gè)機(jī)器人，就必須每個(gè)機(jī)器人有自己的指令標(biāo)識，才能接收到自己的控制指令，容易出現(xiàn)誤讀和誤解析。

2）由于在比賽中存在許多干擾，比如機(jī)器人自身直流電機(jī)的噪音、系統(tǒng)其他設(shè)備內(nèi)噪音干擾、還有比賽雙方使用的頻率波段相近引起的干擾等。而該系統(tǒng)沒有錯(cuò)誤糾正和報(bào)文重發(fā)機(jī)制，所以該系統(tǒng)較易出現(xiàn)傳輸失敗，進(jìn)而影響比賽的進(jìn)行。

3）從整個(gè)足球機(jī)器人的工作流程可以看出要靈活有效地控制機(jī)器人小車就必須使每個(gè)控制周期的時(shí)間盡可能短，這種對每個(gè)機(jī)器人進(jìn)行輪訓(xùn)傳遞信息的方式無疑會(huì)延長系統(tǒng)的控制周期，帶來較大的遲滯。

3 基于WSN的新型無線通訊方式

3.1 WSN簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless?Sensor?Networks）技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)[4]等，能夠通過各類集成化的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有無線通信功能，從而組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)克服了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸模式的局限性，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、自組織性以及網(wǎng)絡(luò)分布式特性，同時(shí)具有低成本、低功耗、超強(qiáng)通信能力、通信距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]。其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3.2 WSN在足球機(jī)器人中的無線通訊方式

在比賽過程中，決策子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)視覺子系統(tǒng)采集處理得到的現(xiàn)場信息制定下一步?jīng)Q策方案，即場上所有機(jī)器人的下一步運(yùn)動(dòng)策略，此時(shí)，由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線指令將傳輸?shù)奖荣悎錾?，場上所有的機(jī)器人均可看做是一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在比賽監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，此時(shí)，根據(jù)固化在內(nèi)部的通信協(xié)議，所有機(jī)器人平臺能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)[6]，這樣就實(shí)現(xiàn)了無線自組織網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而保證每一條指令都能夠準(zhǔn)確無誤地傳送到所有的機(jī)器人平臺上。有效地保證了無線通訊的效率和穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

采用對比試驗(yàn)的方式來測試新型無線通信子系統(tǒng)的效果，分別用新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊ZM2410和傳統(tǒng)的RF24L01的無線收發(fā)模塊做了對比測試，新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）通訊速度明顯提高。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試給6個(gè)機(jī)器人平臺發(fā)送數(shù)據(jù) （計(jì)算機(jī)以115200波特率與發(fā)射器通信），在相同情況下采用ZM2410的發(fā)送數(shù)據(jù)量為傳統(tǒng)Rf24L01模塊的3-5倍。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

采用WSN后的通訊系統(tǒng)中，信息的丟包率由原來的7%降至1%。

3）收到錯(cuò)誤指令的幾率幾乎為0。

由于WSN采用自組織的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，相鄰節(jié)點(diǎn)直接會(huì)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，使得系統(tǒng)幾乎不可能收到錯(cuò)誤的指令數(shù)據(jù)。在對比測試中，從發(fā)射器發(fā)送相同次數(shù)的數(shù)據(jù)（300次），記錄機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)正確（通信成功）和錯(cuò)誤（通信失?。┑拇螖?shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種無線通信子系統(tǒng)的測試結(jié)果Tab.1 The result of two wireless communication subsystem

綜合比較兩種通訊系統(tǒng)．可以看出WSN通訊系統(tǒng)有通信距離遠(yuǎn)、誤碼率低穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且通信的有效距離能夠滿足機(jī)器人足球比賽的要求。

5 結(jié) 論

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于小型組足球機(jī)器人比賽之中，主要用于構(gòu)建足球機(jī)器人的無線通訊子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)決策計(jì)算機(jī)和場上各個(gè)足球機(jī)器人的無線信息傳輸。相比于傳統(tǒng)的無線收發(fā)方式，文中通訊子系統(tǒng)具有更高的通訊速率、更低的誤碼率、更大的通訊范圍等優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了足球機(jī)器人的響應(yīng)時(shí)間和控制能力，更加有利于群體機(jī)器人之間的協(xié)作。因此，采用改進(jìn)后的比賽系統(tǒng)能夠滿足機(jī)器人比賽中對無線通信的要求，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更加有利于足球機(jī)器人在比賽中的發(fā)揮。

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