移動機器人通信技術(shù)的研究

移動機器人通信技術(shù)的研究

移動機器人技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項綜合學科。它整合了機械、電子、計算機、自動控制等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就。隨著移動機器人在各領(lǐng)域的應用，人們對其“智能”的要求也日益提高，要求多機器人之間具有協(xié)作能力。多機器人協(xié)作和控制研究的基本思想就是將多機器人之間的協(xié)作看作一個群體，研究其協(xié)作機制，從而充分發(fā)揮多機器人系統(tǒng)各種內(nèi)在的優(yōu)勢。為了有效地交流和協(xié)商，必須解決機器人之間信息處理與傳輸問題，即多機器人通信問題。1移動機器人通信模式1.1上位機通信控制器機器人上位機與下位機通信是多機器人通信的特例，即雙機器人通信，主要通信方式為有線通信和無線通信。對于移動的機器人多采用無線方式，通信控制器作為一個中間過渡環(huán)節(jié)，實現(xiàn)上位機與下位機之間數(shù)據(jù)與控制命令的有線通訊與無線通信方式的轉(zhuǎn)換。同時對于下位機而言，是一個主控機控制多個從機的系統(tǒng)，與各從機之間采用有線或無線方式進行通信。上位機根據(jù)下位機傳輸?shù)男盘栠M行控制決策，將命令調(diào)制，通過無線發(fā)射器發(fā)出，無線接收設(shè)備接收命令并解調(diào)后，將命令送給主控機來控制機器人的各種動作。1.2實現(xiàn)特定環(huán)境的通信機制在多機器人系統(tǒng)中，通過通信多機器人系統(tǒng)中各機器人了解其它機器人的意圖、目標和動作以及當前環(huán)境狀態(tài)等信息，進而進行有效的磋商，協(xié)作完成任務(wù)。機器人之間的通信一般分為隱式通信和顯式通信兩類。隱式通信系統(tǒng)通過外界環(huán)境和自身傳感器來獲取所需的信息并實現(xiàn)相互之間的協(xié)作，機器人之間沒有直接進行信息交換。在隱式通信中機器人在環(huán)境中留下某些特定信息，其通過傳感器獲取外界環(huán)境信息的同時，也可能獲取到其它的機器人遺留下的信息。此多機器人系統(tǒng)中，各機器人之間不存在數(shù)據(jù)的顯式交換，所以無法使用一些高級的協(xié)調(diào)協(xié)作策略，降低了完成復雜任務(wù)的能力。使用顯式通信的多機器人系統(tǒng)利用特定的通信介質(zhì)，快速有效地完成各機器人間信息的交互，實現(xiàn)許多在隱式通信下無法完成的高級協(xié)調(diào)協(xié)作策略。但由于多機器人系統(tǒng)在通信的實時性、可靠性等方面有特殊要求，所以針對適用于多機器人系統(tǒng)分布式控制結(jié)構(gòu)的特定環(huán)境的通信機制的研究具有重要的意義。隱式通信與顯式通信是多機器人系統(tǒng)各具特色的兩種通信模式，如果將兩者各自的優(yōu)勢結(jié)合起來，則多機器人系統(tǒng)就可以靈活地應對各種動態(tài)未知環(huán)境，完成許多復雜任務(wù)。2總線拓撲結(jié)構(gòu)多機器人通信拓撲結(jié)構(gòu)大致分為：星形、環(huán)形、總線、網(wǎng)狀等。相關(guān)比較見表1。在各種拓撲結(jié)構(gòu)中，總線形拓撲結(jié)構(gòu)在多機器人通信中應用得較多。總線拓撲的重要特征是可采用多址訪問和廣播介質(zhì)，易于組成分布式系統(tǒng)?？偩€拓撲的典型代表是著名的以太網(wǎng)?？偩€結(jié)構(gòu)是目前多機器人通信系統(tǒng)中采用最多的一種拓撲形式，其優(yōu)點是具有較好的堅固性。3現(xiàn)行通信技術(shù)協(xié)作是多機器人系統(tǒng)的重要特征，協(xié)作的實現(xiàn)離不開通信。在多智能體機器人環(huán)境中，通信系統(tǒng)的構(gòu)建與實現(xiàn)，要為多機器人系統(tǒng)提供良好的通信平臺以實現(xiàn)總體控制功能。3.1csma/cd的模式選擇針對保證實時通信的研究工作有很多，如令牌總線、令牌環(huán)、分布式隊列雙總線、光纖分布數(shù)據(jù)接口等。這些解決方法都需要維持一個物理或邏輯環(huán)，增加的硬件設(shè)備導致費用較高，管理和分發(fā)很復雜，帶來的系統(tǒng)負擔將較大。在總線拓撲結(jié)構(gòu)里總線式CSMA/CA得到廣泛應用。CSMA/CA的目的是避免沖突，而不是檢測沖突是否存在。CSMA/CA存取方式存在的一個問題是報文分組沖突后，仍然繼續(xù)發(fā)送直至全部結(jié)束，如果沖突各方檢測到?jīng)_突后能及時停止發(fā)送，則可使信道有效利用率得到提高。而CSMA/CD協(xié)議的存取方式是根據(jù)上述要求改進而來的。采用CSMA/CD控制方式時，不足的一面是，當各機器人發(fā)送請求的頻率越高，信號沖突的可能性就越大，從而造成整個網(wǎng)絡(luò)信號處理量下降。對于應用層協(xié)議的研究，目前基于多智能體的實時通信系統(tǒng)中，多采用TCP協(xié)議，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，基本不發(fā)生丟包的現(xiàn)象。但是，這是以犧牲系統(tǒng)的實時性為代價的，往往達不到預期的效果。相反，無連接的、不可靠的、盡最大努力投遞報文的UDP協(xié)議雖然沒有差錯控制、超時重發(fā)、擁塞控制等可靠性保證策略，但這也正是UDP的特點所在。在基于UDP的通信中，沒有發(fā)送之前建立連接的過程，也沒有發(fā)送方等待確認包的“握手”過程，但保證了UDP的“輕量”、快速的特點，在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好的情況下仍然是首要選擇。因此可考慮使用TCP協(xié)議和UDP協(xié)議結(jié)合的通信協(xié)議。3.2智能通信模式在多智能體機器人系統(tǒng)中，常用通信方式有：黑板模式、聯(lián)邦方式、廣播方式、點到點方式，詳見表2。3.3“客戶/服務(wù)器、點對點”模型在計算機系統(tǒng)中，目前常用的通信模型有“客戶/服務(wù)器”模型(C/S:Client/Server)和“點對點”模型(P2P:Peer-to-Peer)。3.3.1c/s模型介紹在基于C/S模型的通信系統(tǒng)中，機器人之間的通信必須通過通信服務(wù)器“中轉(zhuǎn)”，系統(tǒng)有中心服務(wù)器，所有客戶進程與服務(wù)器進程進行雙向通信，客戶進程間無直接通路。此模型適用于需要集中控制的應用，中心服務(wù)器利用其特殊地位了解各客戶機的需求，這有利于對客戶進程的管理以及實現(xiàn)通信資源的合理分配與調(diào)度；另外，C/S模型結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，便于錯誤診斷及系統(tǒng)維護。其缺點也很明顯：客戶進程間通信效率低，服務(wù)器工作負荷大，服務(wù)器性能及網(wǎng)絡(luò)帶寬是影響系統(tǒng)性能的瓶頸；中心服務(wù)器的錯誤會導致整個系統(tǒng)的崩潰。3.3.2控制和調(diào)度管理P2P通信模型由中心結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉植际浇Y(jié)構(gòu)，節(jié)點間通信不經(jīng)過中心服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接進行通信，提高了通信效率；系統(tǒng)運行不依賴于模型中某個節(jié)點，因此系統(tǒng)負載較為均衡、可靠性高。然而，P2P模型并不適用于包含控制、調(diào)度、管理等任務(wù)的應用。我們希望有一種機制能對系統(tǒng)資源進行統(tǒng)一、可預計分配。如果采用P2P模型來實現(xiàn)，由于智能體的對等特性，那么每個智能體都要保存所有智能體的狀態(tài)信息，增加了本地存儲負擔；智能體內(nèi)部狀態(tài)的任何變化都必須及時通知其它智能體，增加了網(wǎng)絡(luò)通信負擔；每個智能體都必須處理控制或調(diào)度相關(guān)的計算，增加了系統(tǒng)負擔。由于多機器人系統(tǒng)是典型的分布式多任務(wù)實時系統(tǒng),它運行在環(huán)境經(jīng)常動態(tài)變化的真實世界中,為增強多機器人系統(tǒng)適應環(huán)境的能力,我們希望智能體能根據(jù)環(huán)境需要及具體任務(wù)的不同要求實現(xiàn)智能體能力的動態(tài)可擴充。綜合比較C/S和P2P模型,可考慮建立能支持系統(tǒng)復雜通信行為的基于C/S和P2P模型混合的模型結(jié)構(gòu)。4多機器人智能系統(tǒng)多機器人系統(tǒng)應用領(lǐng)域廣泛。美、歐、日等國家從20世紀80年代中期就開始對多機器人系統(tǒng)做了大量研究，協(xié)作機器人學得到了較好的發(fā)展。日本對群體機器人系統(tǒng)的研究開展得比較早，著名的研究有ACTRESS系統(tǒng)和CEBOT系統(tǒng)。ACTERESS系統(tǒng)通過設(shè)計底層的通信結(jié)構(gòu)而把機器人、周圍設(shè)備和計算機等連接起來的自治多機器人智能系統(tǒng)。CEBOT系統(tǒng)中，每個機器人可以自主地運動，整個系統(tǒng)沒有集中控制，可以根據(jù)任務(wù)和環(huán)境動態(tài)重構(gòu)、可以具有學習和適應的群體智能。我國群體機器人的研究起步較晚，上海交通大學、中國科學院、哈爾濱工業(yè)大學機器