第四章-智能机器人的通信系统

第4章智能机器人的通信系统通信系统是智能机器个体以及群体机器人协调工作中的一个重要组成部分。机器人的通信可以从通信对象角度分为内部通信和外部通信。内部通信是为了协调模块间的功能行为，它主要通过各部件的软硬件接口来实现。外部通信指机器人与控制者或者机器人之间的信息交互，它一般通过独立的通信专用模块与机器人连接整合实现。多机器人间能有效地通信可有效共享信息从而更好地完成任务。4.1现代通信技术4.1.1基本概念1.点对点通信系统的基本模型图4.1为一典型点对点通信系统的基本模型，各模块作用如下：(1)信源把待传输的消息转换成原始电信号；发送设备也称为变换器，它将信源发出的信息变换成适合在信道中传输的信号，使原始信号（基带信号）适应信道传输特性的要求。(2)信道是传递信息的通道及传递信号的设施。按传输介质（又称传输媒质）的不同，分为有线信道和无线信道（如微波通信、卫星通信、无线接入等）；(3)接收设备的功能与发送设备相反，把从信道上接收的信号变换成信息接收者可以接收的信息，起着还原的作用；(4)受信者（信宿）是信息的接收者，将复原的原始信号转换成相应的消息；(5)噪声源是指系统内各种干扰影响的等效结果。为便于分析，一般将系统内所存在的干扰（环境噪声、电子器件噪声、外部电磁场干扰等）折合于信道中。图4.1通信系统的基本模型2.现代通信系统的功能模型如图4.2所示。该图为一现代通信系统的功能模型，各模块作用如下：(1)接入功能模块：将语音、图像或数据进行数字化并变换为适于网络传输的信号。(2)传输功能模块：将接入的信号进行信道编码和调制，变为适于传输的信号形式。(3)控制功能模块：完成用户的鉴权、计费与保密，由信令网、交换设备和路由器等组成。(4)应用功能模块：为运营商提供业务经营。图4.2现代通信系统模型3.现代通信系统的分类1)按通信业务分类(1)按传输内容可分为单媒体通信与多媒体通信；(2)按传输方向可分为单向传输与交互传输；(3)按传输带宽可分为窄带通信与宽带通信；(4)按传输时间可分为实时通信与非实时通信。2)按传输介质分类(1)有线通信。有线通信的传输介质为电缆和光缆；(2)无线通信。无线通信借助于电磁波在自由空间的传播来传输信号，根据波长不同可分为中长波通信、短波通信和微波通信等。3)按调制方式分类(1)基带传输。基带传输将未经调制的信号直接在线路上传输。(2)频带传输（调制传输）。频带传输先对信号进行调制后再进行传输。4)按信道中传输的信号分类按信道中传输的信号分类，可分为模拟通信和数字通信。5)按收发者是否运动分类按收发者是否运动分类，可分为固定通信和移动通信。6)按多地址接入方式分类按地址接入方式分类，可分为频分多址、时分多址、码分多址通信等。7)按用户类型分类按用户类型分类，可分为公用通信和专用通信。4.通信系统的质量评价1)有效性指标有效性是指信道资源的利用效率（即系统中单位频带传输信息的速率问题）。模拟通信系统的有效性指标通常采用“系统有效带宽”来进行描述；数字通信系统有效性指标通常采用“传输容量”来进行描述。2)可靠性指标可靠性是指通信系统传输消息的质量（即传输的准确程度问题）。模拟通信系统的可靠性指标通常采用“输出信噪比”来衡量。数字通信系统的可靠性指标通常采用“传输差错率”来衡量。4.1.2相关技术简介1.GSM通信系统全球移动通信系统(GSM)属第二代数字移动通信系统，在蜂窝系统的基础上发展而来。GSM网络技术成熟，覆盖范围广的特点，合理有效的利用GSM网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本费用高，通讯距离短，通讯效果差等诸多难题。如图4.3所示，GSM通信系统主要是由交换网络子系统(NetworkStationSystem，NSS)，无线基站子系统(BaseStationSystem，BSS)和移动台(MobileStation，MS)三大部分组成。图4.3GSM通信系统(1)移动台(Mboilestatnin，MS)。通过无线接入进入通信网络，完成各种控制和处理以提供主叫或被叫通信服务。(2)基站子系统(BasestationSubsystem，Bss)。负责无线传输，执行固定网与移动用户间的接口功能，提供移动台MS和GSM网络间无线信令和话音、数据信息交换。(3)网络交换子系统(NetwokrSwitehingsubsystem，Nss)。负责管理GSM系统内部的用户之间以及与其它电信网用户之间的通信。GSM网络在机器人系统中，可以提供多种服务。例如，可以利用全球定位系统和GSM短信服务系统相结合实现机器人的定位、监控、调度指挥。2.CDMA通信系统CDMA又称码分多址，是在无线通信中使用的技术，在蜂窝移动通信各种技术体制中，码分多址(Code-DivisionMultipleAccess，CDMA)占有十分重要的地位，它不仅是第二代数字蜂窝移动通信的两大体制(欧洲的GSM和北美的IS-95)之一，而且是第三代移动通信的主要体制。3.常用短距离无线技术1)ZigBee随着物联网、车联网与智能家居概念的宣传，ZigBee开始进入我们的视线。ZigBee基于IEEE802.15.4标准，由ZigBee联盟制定，具有自组网、低速率、低功耗的特点，尤其适合小型设备组网的需要。2)WifiWifi被广泛应用于笔记本电脑、手机、平板电脑中，用于支持设备通过无线的方式连接互联网。Wifi的通信吞吐率很高，且与现存的网络设备具有良好的兼容性。3)蓝牙蓝牙技术的创始人是爱立信公司，用于手机与外围设备的连接，如蓝牙耳机、蓝牙GPS等。蓝牙使用时分双工的模式来实现全双工通讯，是一种特殊的2.4G无线技术，遵循IEEE802.15.1协议。蓝牙具有通讯速率快、连接简单、全球通用、功耗低等特点，广泛用于手机、计算机、娱乐外围设备之中。4)IrDAIrDA使用红外线进行通讯，是一种低成本的通讯方案。该标准制定了一个半双工的通讯系统，通讯范围1m左右，传输角度30到60度。因为使用红外线作为通讯媒介，IrDA的数据传输率最大可以达到4Mbps。IrDA较大的劣势就是其对传输路径的要求比较高，传输距离、收发角度都有限制，减小了它的应用领域。4.2机器人通信系统4.2.1移动机器人通信的特点与传统意义上的有线电话网络或者无线蜂窝网络通信系统不同，移动机器人通信的主体是移动机器人，由于其应用背景的不同，而对于通信系统的要求有很大区别。对于特殊环境应用的移动机器人，需要特别关注以下几方面：1.通信系统的健壮性在移动机器人系统中，能够实时提取机器人系统的信息和发送控制指令是十分必要的。通信系统应当能够提供较好的通信质量，尽量降低网络延迟。对于多移动机器人系统的视频数据传输等场合，这一点尤其必要。对于战场或科学考察等重大意义场合，要求机器人的通信系统具有出色的健壮性，以确保设备回收或者数据反馈。2.能量受限由于机器人采用自身电池供电，不但要提供通信所需电能，更要为行走、实物操作等对能量有较大需求的模块提供能量。但是其能量极其有限，这关系着系统的生存能力和安全性。一般来讲通信模块能量的消耗，包括发射能耗、计算能耗、存储能耗。因此，在设计移动机器人的通信系统时，有必要考虑其能量特性，尽可能采用能量消耗较少的系统设计。3.体积受限通信模块过大，会带来安装上的不便，同时还会给机器人驱动模块带来额外的负荷，降低机器人的灵活性，限制其应用场合。4.2.2移动机器人通信系统的评价指标综合以上特点，设计移动机器人通信系统时需要考虑以下几个因素:1.可靠性机器人通信系统在工作时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力。2.能量效率机器人的电能利用效率是否达标。3.带宽带宽（bandwidth）是指在固定的时间可传输资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。对于数字信号而言，带宽指单位时间能通过链路的数据量。4.QoSQoS(QualityofService，服务质量)指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。4.2.3移动机器人通信系统设计1.有线通信与无线通信方案的考虑有线通信与无线通信的比较如表4-1所示。有线通信无线通信优势①信号稳定，抗干扰效果好，②对人体辐射小，安全可靠①方便快捷②投资小劣势①有固定线的束缚，不够方便②投资建设成本大①信号不稳定，易被干扰②安全问题，任何同频率的信号都有可能控制机器人或使得信号拥塞③频谱是一个稀缺资源，使用无线信道需要协调表4-1无线通信和有限通信的比较2.无线通信的比特率与传输距离由于提供低功耗下的高速连接，WiFi成为了目前最流行的无线标准。它的传输距离在l00m左右，WiFi无线网络通常由小范围内的互联接入点组成。覆盖距离有限使这种网络被限制在办公建筑、家用或其他室内环境中。WiFi对于室内使用的移动机器人和其人类操纵者是个不错的选择。如果机器人需要室外环境中的导航，第三代(3G)手机网络能提供最好的可用覆盖网络。4.3多机器人通信4.3.1多机器人通信模式一般来说，机器人之间的通信可以分为隐式通信和显式通信两种模式。图4.4机器人的通信1.显式通信显式通信包括直接通信和间接通信两种。1)直接通信要求发送者和接收者保持一致，即通信时发送者和接收者同时在线，因此需要一种通讯协议。2)间接通信不需要发送者与接收者保持一致。广播是一种间接通信类型，它不要求一定有接收者，也不保证信息是否正确地传送给接收者。监听(或观察)是另一种类型的间接通信，它侧重于信息接收者接收信息的方式。2.隐式通信隐式通信是指多机器人系统通过外界环境和自身传感器来获取所需的信息并实现相互之间的协作，机器人之间没有通过某种共有的规则和方式进行数据转移和信息交换来实现特定含义信息的传递。1)感知通信多机器人系统感知问题时，多机器人系统就充分利用了基于自身传感器信息的隐式通信，通过感知环境的变化，并依据机器人内部一定的推理、理解模型来进行相应的决策和协作。2)环境通信机器人在通过传感器获取外界环境信息的同时也可能获取到其它机器人遗留在环境中的某些特定信息，从而进行信息传递。3.通信模式的实现隐式通信与显式通信是多机器人系统各具特色的两种通信模式，如果将两者各自的优势结合起来，则多机器人系统就可以灵活地应对各种动态未知环境，完成许多复杂任务。利用显式通信进行少量的机器人之间的上层协作，通过隐式通信进行大量的机器人之间的底层协调，在出现隐式通信无法解决的冲突或死锁时，再利用显式通信进行少量的协调工作加以解决。这样的通信结构既可以增强系统的协调协作能力、容错能力，又可以减少通信量，避免通信中的瓶颈效应。4.3.2多机器人通信模型在计算机系统中，目前常用的通信模型有“客户/服务器”模型(C/SClient/Server)和“点对点”模型(P2P:Peer-to-Peer)。1.C/S模型在基于C/S模型的通信系统中，机器人之间的通信必须通过服务器“中转”，系统具有中心服务器，所有客户进程与服务器进程进行双向通信，客户进程间无直接通路。C/S通信模型如图4.5所示，C/S通信适用于需要集中控制的场合，其结构简单，易于实现，便于错误诊断及系统维护。一方面，中心服务器利用其特殊地位了解各客户机的需求，这有利于对客户进程的管理以及实现通信资源的合理分配与调度。另一方面，客户间进程通信效率低，中心服务器工作负荷大，其错误会导致整个系统的崩溃。图4.5C/S通信模型2.P2P模型如图4.6所示，P2P通信模型由中心结构改变为分布式结构，节点间通信不经过中心服务器的转发，而是直接进行通信，提高了通信效率。系统运行不依赖于模型中某个节点，因此系统负载较为均衡、可靠性高。P2P模型中，由于智能体的对等特性，那么每个智能体都要保存所有智能体的状态信息，增加了