秦 博

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

近年來(lái)隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人目前能夠從事的工作非常廣泛，從防爆、救災(zāi)、航空、航天到工業(yè)生產(chǎn)、物流配送、家庭服務(wù)等，機(jī)器人正不斷地改變著人們的生產(chǎn)生活方式。隨著人力成本逐年上漲和全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，機(jī)器人替代人工作已成為很多大型企業(yè)迫切的需求。由于單個(gè)機(jī)器人自身性能的局限，很多情況下無(wú)法獨(dú)立完成工作，必須依靠多個(gè)機(jī)器人協(xié)同工作才能順利完成，如團(tuán)隊(duì)競(jìng)技比賽、汽車自動(dòng)化生產(chǎn)、要地安全防護(hù)等。多機(jī)器人協(xié)同工作需要彼此之間不斷地進(jìn)行信息交互，如何有效解決多機(jī)器人同時(shí)通信產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題和制定通用的多機(jī)器人協(xié)同通信協(xié)議非常困難[1]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，研究了改進(jìn)型的指數(shù)遞增指數(shù)遞減隨機(jī)退避算法（Improved Exponential Increasing Exponential Decreasing，IEIED）和基于5G 通信的云平臺(tái)信息交換技術(shù)，有效解決多機(jī)器人協(xié)同通信問(wèn)題。

1 改進(jìn)型指數(shù)遞增指數(shù)遞減隨機(jī)退避算法

無(wú)線局域網(wǎng)通信中采用的IEEE802.11n 協(xié)議中設(shè)計(jì)了二進(jìn)制指數(shù)隨機(jī)退避算法（Binary Exponential Back-off Algorithm，BEB）來(lái)降低數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的碰撞概率。但該算法在通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)易產(chǎn)生不公平性問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包率受到較大影響。

為解決BEB 算法存在的不公平性問(wèn)題，在BEB算法的基礎(chǔ)上提出了指數(shù)遞增指數(shù)遞減算法（Exponential Increasing Exponential Decreasing，EIED）[2-3]，其具體表達(dá)式為：

EIED 算法引入兩個(gè)退避參數(shù)，用于數(shù)據(jù)發(fā)送成功或發(fā)送失敗上。機(jī)器人節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)成功時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口以后退參數(shù)rs成倍地減小，即：

rs后退參數(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量進(jìn)行合理的選取。當(dāng)機(jī)器人節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后，競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小以后退參數(shù)rc成倍地增加，即：

而不像BEB 算法發(fā)送失敗后以2 來(lái)倍乘。rc這個(gè)后退參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量進(jìn)行選取，當(dāng)機(jī)器人節(jié)點(diǎn)數(shù)較多即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，可將參數(shù)設(shè)為大于2；如果機(jī)器人節(jié)點(diǎn)數(shù)較少即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，可將參數(shù)設(shè)為小于2。一般情況下，rs選取為21/β，β表示最大重傳次數(shù)，而不是BEB 算法里統(tǒng)一將CW值重置為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口，這在重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中極易引起下一輪沖突。

在傳統(tǒng)EIED 算法里，若源機(jī)器人與其他機(jī)器人產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突時(shí)，退避競(jìng)爭(zhēng)窗口更新為原來(lái)的rc倍；機(jī)器人數(shù)據(jù)發(fā)送成功以后，退避競(jìng)爭(zhēng)窗口更新為原來(lái)的rs分之一倍。這樣數(shù)據(jù)在發(fā)送成功以后的退避競(jìng)爭(zhēng)窗口往往比節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生沖突以后的退避競(jìng)爭(zhēng)窗口小很多，就使得數(shù)據(jù)發(fā)送成功后的節(jié)點(diǎn)在下一輪信道競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候更具有優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多輪的信道競(jìng)爭(zhēng)，容易造成“弱者更弱，強(qiáng)者更強(qiáng)”的情況。本文為了改善這種情況，研究了一種IEIED 算法，增大最小競(jìng)爭(zhēng)窗口和減小最大競(jìng)爭(zhēng)窗口，使得發(fā)送數(shù)據(jù)成功的機(jī)器人退避競(jìng)爭(zhēng)窗口最小重置為αCWmin，同理發(fā)生沖突的機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)窗口最大重置為γCWmax，α、γ參數(shù)的選取依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，若網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量較小，可將參數(shù)α設(shè)為大于1，γ參數(shù)設(shè)為小于1，這樣減小了［CWmin,CWmax］的范圍，在一定程度上解決了“弱者更弱，強(qiáng)者更強(qiáng)”的情況。由于rc和rs都是可變參數(shù)，若兩者取值選擇合理，那么退避競(jìng)爭(zhēng)窗口CW 的更新就不會(huì)大幅度增加或者大幅度驟減，在信道的競(jìng)爭(zhēng)中，可以使得大多數(shù)的機(jī)器人接入信道的機(jī)會(huì)一樣，從而可以快速實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的相互通信。IEIED 算法的流程圖如圖1 所示。

2 基于5G 通信的云平臺(tái)信息交換技術(shù)

隨著5G 技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和各種智能體的蓬勃發(fā)展，也涌現(xiàn)出了一種全新的通信方式——云通信。云通信融合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，形成了以商業(yè)模式為主的多設(shè)備通信模式[4]，多設(shè)備的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)融合等都集中在云端，各種應(yīng)用模塊互聯(lián)互通，用戶只需搭建好硬件設(shè)備，將其接入到云通信平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)的多種接入?yún)f(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)多種不同設(shè)備的協(xié)同通信。隨著通信技術(shù)研究的不斷深入與改善，將云通信與協(xié)同通信相結(jié)合，構(gòu)建基于云通信的協(xié)同通信系統(tǒng)，可以提高整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。

選擇中國(guó)移動(dòng)的One NET 作為課題研究平臺(tái)，該平臺(tái)為開(kāi)發(fā)者和企業(yè)提供服務(wù)，同時(shí)也為終端行業(yè)提供PaaS 層和定制化開(kāi)發(fā)服務(wù)，解決了協(xié)議適配、海量設(shè)備的連接、管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（上報(bào)—轉(zhuǎn)發(fā)—分析）、規(guī)則引擎、事件告警、應(yīng)用孵化等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的共性問(wèn)題，同時(shí)具有分布式的結(jié)構(gòu)和多重?cái)?shù)據(jù)保障機(jī)制。One NET 云平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放的云服務(wù)平臺(tái)，聚焦了各大行業(yè)的需求，在共享經(jīng)濟(jì)、工業(yè)控制、智慧能源、車聯(lián)網(wǎng)、物流運(yùn)輸以及智能機(jī)器人等領(lǐng)域都提供了可靠的、完整的解決方案。該云平臺(tái)的架構(gòu)圖如圖2 所示。

One NET 支持多種主流協(xié)議的連接，其中包括LWM2M（NB-IoT）、MQTT、HTTP、EDP、TCP、RGMP、MODBUS、JT/808 等多種公開(kāi)協(xié)議，多機(jī)器人接入到云平臺(tái)可以有很多種通信接入方式，常用的有GPRS、WIFI、NB-IoT 和以太網(wǎng)口，可以實(shí)現(xiàn)在各種網(wǎng)絡(luò)下云平臺(tái)與多機(jī)器人的連接。多機(jī)器人通過(guò)5G 通訊技術(shù)連接到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人在云端的協(xié)同通信。多機(jī)器人協(xié)同通信系統(tǒng)的云平臺(tái)軟件體系分為兩部分：云端多機(jī)器人協(xié)同通信控制平臺(tái)和單個(gè)機(jī)器人控制平臺(tái)。其中機(jī)器人端主要實(shí)現(xiàn)一些可以簡(jiǎn)單完成的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)機(jī)器人的云端監(jiān)控；而云端多機(jī)器人協(xié)同通信控制平臺(tái)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人的相互通信，并對(duì)其進(jìn)行云端監(jiān)控。在云端能夠觀察到每個(gè)機(jī)器人的速度、角速度、電量、位置等相關(guān)的信息。此外，云端可以通過(guò)發(fā)布命令控制關(guān)聯(lián)的機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行行為干預(yù)，同時(shí)云端也負(fù)責(zé)定時(shí)地將各機(jī)器人的位置信息進(jìn)行廣播。在執(zhí)行復(fù)雜和需要多機(jī)器人協(xié)同完成任務(wù)時(shí)，云端會(huì)對(duì)每個(gè)機(jī)器人的規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行協(xié)調(diào)共同完成任務(wù)。

云端多機(jī)器人協(xié)同通信控制平臺(tái)的功能模塊可以分為機(jī)器人控制平臺(tái)、信息界面和網(wǎng)絡(luò)傳輸三部分。機(jī)器人控制平臺(tái)連接了機(jī)器人的傳感器模塊和電機(jī)模塊，采集機(jī)器人的狀態(tài)信息，可以對(duì)群體機(jī)器人和單個(gè)機(jī)器人進(jìn)行操控，包括左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退等一些基本行為；信息界面主要是通過(guò)云端的數(shù)據(jù)接口，展示了各個(gè)機(jī)器人以及機(jī)器人群的狀態(tài)和工作日志；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的整合與傳輸，通過(guò)獲得每個(gè)機(jī)器人的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)云端整合，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的遠(yuǎn)程調(diào)控，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊為多機(jī)器人的協(xié)同通信和監(jiān)控提供了支持。云端多機(jī)器人協(xié)同通信控制平臺(tái)的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著多機(jī)器人技術(shù)研究的不斷深入，如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人之間可靠、高效的通信日益成為制約多機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的瓶頸。本文著重研究了通過(guò)5G背景下的云平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)同通信技術(shù)，提出的IEIED 算法，能夠有效降低多機(jī)器人通信的信道碰撞概率，提高信道接入的公平性、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延；利用基于5G 的云通信技術(shù)，可以大幅簡(jiǎn)化用戶終端的設(shè)計(jì)，只需使用通信模塊將機(jī)器人接入云平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器人之間的互聯(lián)互通。上述技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都有著較好的應(yīng)用前景。