鄭 冰，楊文鉑，李 航

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.南陽道路運(yùn)輸管理局，河南 南陽 473000)

0 引言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成技術(shù)和智能化程度的逐漸提高，人們對(duì)通信的要求越來越高，網(wǎng)絡(luò)成為必不可少的傳輸手段[1]。由于網(wǎng)絡(luò)所需覆蓋大幅度增大，有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以滿足需求，因而無線通訊技術(shù)迎來了快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也正逐漸向農(nóng)業(yè)無線通信轉(zhuǎn)型[2-5]。本文以LTE-Advanced和微粒群算法為通信路徑搭建了采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)，采用高效的質(zhì)效控制和通信協(xié)議，很大程度提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性。

1 微粒群算法

微粒群算法起初只是為了將鳥群毫無規(guī)律的覓食路徑采取圖形化的方式展現(xiàn)出來[6-7]。該算法是20世紀(jì)末期由美國社會(huì)研究學(xué)家James Kennedy和電氣工程師Russell Eberhart一起研究提出的[8-10]。其主旨來源于兩人早期對(duì)鳥類行為進(jìn)行研究得到的想法，他們根據(jù)鳥群外出尋找食物的復(fù)雜情形，并結(jié)合生物種群聚集模型，對(duì)鳥群設(shè)計(jì)了特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，模擬和設(shè)計(jì)了鳥群隨機(jī)無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)仿真模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型在多維空間中具有非常強(qiáng)大的優(yōu)化能力[11]。微粒群算法中包含多個(gè)沒有質(zhì)量和體積大小的粒子，這些粒子可以看作成能互相傳遞數(shù)據(jù)信息且具有一定記憶的個(gè)體，在仿真時(shí)，可以在目標(biāo)空間中隨意改變移動(dòng)方向和速度[12-15]。

在三維空間中，鳥群運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化目標(biāo)解能夠被空間粒子運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行演算[16]。在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)粒子位置xi(t)可由前一時(shí)間節(jié)點(diǎn)xi(t-1)和速度vi(t)表示，即

xi(t)=xi(t-1)+vi(t)

(1)

其中，i表示第i個(gè)粒子。

在整個(gè)仿真過程中，每個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡都需要求得最優(yōu)解的一個(gè)可行解，因此粒子可以根據(jù)自己的記憶，將最好的pwelli記錄下來并將信息與其他粒子進(jìn)行分享；然后在所有的pwelli中尋找最好的點(diǎn)，即當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)目標(biāo)解，記為gwelli。粒子的移動(dòng)速度會(huì)收到將受到gwelli的影響，并不斷逼近該點(diǎn)，速度計(jì)算公式為

vi(t)=w·vi(t-1)+c·rand·[gwelli-xi(t-1)]

(2)

其中，w為慣性因子；c為加速因子，rand為[0,1]間的一隨機(jī)數(shù)。在三維空間中的微粒群算法的流程如圖1所示。

微粒群算法的具體過程為：

Step1，對(duì)微粒群算法進(jìn)行初始化。

Step2，制定粒子自適應(yīng)函數(shù)。

Step3，尋找記錄當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn)gwell。

Step4，更新當(dāng)前次數(shù)的pwelli與最優(yōu)點(diǎn)gwelli作比較，如果優(yōu)于gwelli則進(jìn)行一次更新。

Step5，判斷是否已經(jīng)達(dá)到初始化設(shè)定的最大迭代次數(shù)，若未達(dá)到則返回Step2繼續(xù)操作，否則結(jié)束本輪尋優(yōu)。

Step6，結(jié)束，輸出并保存最優(yōu)點(diǎn)gwelli。

圖1 微粒群算法流程圖Fig.1 The flow chart of particle swarm optimization algorithm

2 LTE-Advanced技術(shù)

2.1 LTE-Advanced技術(shù)概述

近年來，隨著通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)升級(jí)速度越來越快，LTE-Advanced通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[17-21]。LTE-Advanced 作為第四代通信系統(tǒng)核心技術(shù)之一，是一項(xiàng)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，其結(jié)合OFDM、MIMO及64QAM調(diào)制等多項(xiàng)高新技術(shù)，使其在傳輸速率、頻譜利用率和傳輸時(shí)延等方面獲得了更加的進(jìn)步，在技術(shù)由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，適合移動(dòng)跨區(qū)跨站點(diǎn)作業(yè)，因此適合在采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)中使用[22-23]。LTE-Advanced通信系統(tǒng)的性能需求如表1所示。

2.2 LTE-Advanced系統(tǒng)架構(gòu)

與一般的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采取的信號(hào)交換電路不同，LTE-Advanced系統(tǒng)只支持分組交換業(yè)務(wù)，也就是在數(shù)據(jù)分組中與用戶對(duì)象建立無縫的信息傳遞機(jī)制[24]。因此，分組系統(tǒng)演進(jìn)成了更高級(jí)別的演進(jìn)分組系統(tǒng)，包括演進(jìn)的分組交換核心網(wǎng)和演進(jìn)的接入網(wǎng)E-UTRAN。LTE-Advanced系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

表1 LTE-Advanced通信系統(tǒng)的性能Table 1 The performance of LTE-Advanced communication system

圖2 LTE-advanced系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 The architecture diagram of LTE-Advanced system

3 采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 采摘機(jī)器人感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

感知系統(tǒng)相當(dāng)于人類的眼睛和手腳，使沒有視覺和觸覺的采摘機(jī)器人通過感知系統(tǒng)獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，然后作出正確的判斷。該感知系統(tǒng)主要包括視覺、位置和避障3類傳感器[25]，如圖3所示。

圖3 采摘機(jī)器人感知系統(tǒng)Fig.3 The perception system of picking robot

視覺傳感器主要是進(jìn)行圖像的捕獲及位置的校驗(yàn)，然后將結(jié)果傳送到機(jī)器人控制系統(tǒng)；位置傳感器是利用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和霍爾傳感器得到機(jī)器人的直行進(jìn)程，獲取機(jī)器位置信息；避障傳感器安裝在末端執(zhí)行器上，通過力敏電阻獲取碰撞信息，然后讓機(jī)器人在作業(yè)中有效躲避障礙。

3.2 無線通信系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

無線通信系統(tǒng)硬件需要滿足數(shù)據(jù)傳輸速率、通信距離、發(fā)射功率、綜合承載能力、丟包率、誤碼率和低功耗等要求，其結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。無線通信系統(tǒng)包括通信主站和從站兩方面。主站由控制計(jì)算機(jī)、處理器和無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)組成，這幾部分通過 USB 有線傳輸數(shù)據(jù)信息；從站則由視覺、避障、位置3類傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)構(gòu)成。主站通過基站接收從站發(fā)回的數(shù)據(jù)及控制信息，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的無線通信。

圖4 無線通信系統(tǒng)硬件框架Fig.4 The hardware framework of wireless communication system

無線通信系統(tǒng)軟件部分主從機(jī)數(shù)據(jù)接發(fā)都采用中斷服務(wù)程序機(jī)制，具有成本低、數(shù)據(jù)延時(shí)小、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)軟件包括main、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收中斷服務(wù)和發(fā)送中斷服務(wù)等子程序。發(fā)送程序和接收采用模塊化方式，由main系統(tǒng)主程序直接調(diào)用，發(fā)送中斷服務(wù)程序是在數(shù)據(jù)接收同步后開始發(fā)送數(shù)據(jù)信息，而接收中斷服務(wù)程序是先發(fā)送文件然后再等應(yīng)答信號(hào)。采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)流程如圖5所示。

3.3 無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)效與協(xié)議

采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收，因此要求系統(tǒng)具有高傳輸速率、足夠遠(yuǎn)的通信距離、低丟包率和低誤碼率[26]。但是，由于采摘機(jī)器人工作環(huán)境惡劣，工作場所變換速度快，且其本身控制系統(tǒng)復(fù)雜，可能會(huì)給數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收造成干擾，影響無線通信系統(tǒng)的的通信距離和丟包率。為了確保該系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的準(zhǔn)確性，需要對(duì)其進(jìn)行質(zhì)效控制。而數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議則是根據(jù)采摘機(jī)器人自身信息傳送情況設(shè)定某種特定協(xié)議確保鏈路數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行傳輸。

圖5 無線通信系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 The software flow chart of wireless communication system

3.3.1 質(zhì)效控制

影響無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蛩爻谁h(huán)境、磁場、天氣這些外在因素之外，還有通信距離、發(fā)射功率、綜合承載能力及系統(tǒng)抗干擾能力等自身因素；也還有地面對(duì)電波傳輸?shù)挠绊?，這部分主要是地形起伏、植物、任意尺寸的人造結(jié)構(gòu)和作業(yè)海拔等對(duì)信號(hào)的遮擋。此外，基站的類型及其對(duì)信號(hào)的傳輸能力和基站的高度也是影響無線傳輸?shù)闹匾蛩豙27]。因此，提高基站的增益和水平高度，就能提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量和距離。對(duì)采摘機(jī)器人無限通信系統(tǒng)而言，質(zhì)效控制主要在于優(yōu)化自身參數(shù)和采用跳頻傳輸機(jī)制。

該無線通信系統(tǒng)優(yōu)化自身參數(shù)，首先是對(duì)頻率、發(fā)射功率和綜合承載能力等3方面進(jìn)行優(yōu)化。工作頻段設(shè)定為433 MHz，而系統(tǒng)發(fā)射功率和綜合承載能力則與信號(hào)傳送的距離息息相關(guān)。發(fā)射功率大，則信號(hào)傳播的遠(yuǎn)，信號(hào)傳送的距離也大；綜合承載能力反應(yīng)的是主機(jī)獲取微弱信號(hào)的能力，該值越大，通信距離越大。在三維空間中，無線通信傳送距離公式為

[Ls]=32.44+20lgd+20lgf

(3)

其中，[Ls]為傳輸損耗(dB)；d為傳輸距離(km)；f為工作頻率(MHz)。

根據(jù)式(3)和工作頻率433MHz下的發(fā)射頻率和綜合承載能力，計(jì)算出的傳輸距離為2.4 km。這個(gè)計(jì)算結(jié)果是理想狀態(tài)下的值，在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到干擾，會(huì)使實(shí)際值與理論值相差甚遠(yuǎn)。但由于采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)主從站都距離較近，即使實(shí)際值和理論值存在較大差距，也不會(huì)影響其數(shù)據(jù)信息的傳輸。

3.3.2 通信協(xié)議

通信協(xié)議對(duì)無線通信系統(tǒng)信號(hào)的傳遞具有重要的影響，因此設(shè)計(jì)性能卓越的協(xié)議是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，而數(shù)據(jù)包格式又是通信協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，無線通信數(shù)據(jù)的接發(fā)都按照數(shù)據(jù)包裝機(jī)制實(shí)行。采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)包格式Table 2 The digital formats

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了減少外在干擾對(duì)數(shù)據(jù)的影響，在傳遞數(shù)據(jù)信息時(shí)，一般在數(shù)據(jù)中加上1個(gè)字節(jié)的協(xié)議頭。同步字是用來保證數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收前雙方通信處于同步狀態(tài)。數(shù)據(jù)長度一般為1個(gè)字節(jié)，有其他需要時(shí)可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)為傳輸過程中的有效數(shù)據(jù)，也就是采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)中的感知信息。CRC16是校驗(yàn)值，用來判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

4 測試結(jié)果與分析

無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行一系列的測試，以便確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理準(zhǔn)確。因此，為了測試該無線通信系統(tǒng)性能是否滿足采摘機(jī)器人長時(shí)間工作要求以及驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和有效性，特在某水果種植園進(jìn)行了實(shí)際測試。采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊唤M隨機(jī)試驗(yàn)情況，如表3所示。

表3 采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Table 3 The test data of wireless communication system for picking robot

試驗(yàn)條件如下：作業(yè)環(huán)境為強(qiáng)磁干擾;基站增益為3 dB ;數(shù)據(jù)傳輸速率為1.2 Mbps;數(shù)據(jù)長度為1M。

從表3可以得出：在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)中，無線通信系統(tǒng)在質(zhì)效控制和通信協(xié)議措施下，丟包率為0，說明制定的傳輸協(xié)議合理，數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確高速的接發(fā)。在測試中，數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)表現(xiàn)為誤碼率，但也比較低，沒有給通信過程帶來干擾。經(jīng)分析可知：此采摘機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸率較高、CBTC傳輸延時(shí)小、丟包率為0、可靠性強(qiáng)，符合采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文以LTE-Advanced和微粒群算法為通信路徑搭建的采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)，采用高效的質(zhì)效控制和通信協(xié)議，通過減少通信協(xié)議層數(shù)和減少了網(wǎng)元數(shù)目，降低了系統(tǒng)故障率，延長了系統(tǒng)維護(hù)周期，使網(wǎng)絡(luò)部署更加簡單，很大程度地提高了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。測試結(jié)果表明：該無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率較高、CBTC傳輸延時(shí)小、丟包率為0、可靠性強(qiáng)，符合采摘機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘無人化具有十分重要的意義。

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