智能機器人原理與應用 課件 第4章 智能機器人的通信系統(tǒng)

北京信息科技大學自動化學院智能機器人原理與應用“智能檢測技術與模式識別”研究所第四章

智能機器人的通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是智能機器人個體以及群體機器人協(xié)調工作的一個重要組成部分。機器人的通信可以從通信對象角度分為內部通信和外部通信。內部通信是為了協(xié)調模塊間的功能行為，主要通過各部件的軟硬件接口來實現(xiàn)。外部通信指機器人與控制者或機器人之間的信息交互，一般通過獨立的通信專用模塊與機器人連接整合實現(xiàn)。多機器人間能有效地通信，可有效地共享信息，從而更好地完成任務。4.1現(xiàn)代通信技術4.1.1基本概念1.點對點通信系統(tǒng)的基本模型圖4.1為一典型點對點通信系統(tǒng)的基本模型，各模塊作用如下。（1）信源把待傳輸?shù)南⑥D換成原始電信號。（2）信道是傳遞信息的通道及傳遞信號的設施。（3）接收設備的功能與發(fā)送設備相反，把從信道上接收的信號變換成信息接收者可以接收的信息，起著還原的作用。（4）受信者（信宿）是信息的接收者，將復原的原始信號轉換成相應的消息。（5）噪聲源是指系統(tǒng)內各種干擾影響的等效結果。圖4.1通信系統(tǒng)的基本模型2.現(xiàn)代通信系統(tǒng)的功能模型4.1現(xiàn)代通信技術圖4.2所示為一現(xiàn)代通信系統(tǒng)的功能模型，各模塊作用如下。(1)接入功能模塊。(2)傳輸功能模塊。(3)控制功能模塊。(4)應用功能模塊。圖4.2現(xiàn)代通信系統(tǒng)模型4.1現(xiàn)代通信技術3.現(xiàn)代通信系統(tǒng)的分類1)按通信業(yè)務分類(1)按傳輸內容，可分為單媒體通信與多媒體通信。(2)按傳輸方向，可分為單向傳輸與交互傳輸。(3)按傳輸帶寬，可分為窄帶通信與寬帶通信。(4)按傳輸時間，可分為實時通信與非實時通信。2)按傳輸介質分類(1)有線通信。有線通信的傳輸介質為電纜和光纜。(2)無線通信。3)按調制方式分類(1)基帶傳輸。(2)頻帶傳輸(調制傳輸)。4)按信道中傳輸?shù)男盘柗诸惏葱诺乐袀鬏數(shù)男盘柗诸?，可分為模擬通信和數(shù)字通信。5)按收發(fā)者是否運動分類按收發(fā)者是否運動分類，可分為固定通信和移動通信。6)按多址接入方式分類按多址接入方式分類，可分為頻分多址、時分多址、碼分多址通信等。7)按用戶類型分類按用戶類型分類，可分為公用通信和專用通信。4.1現(xiàn)代通信技術1)有效性指標有效性是指信道資源的利用效率(即系統(tǒng)中單位頻帶傳輸信息的速率問題)。模擬通信系統(tǒng)的有效性指標通常采用“系統(tǒng)有效帶寬”來描述；數(shù)字通信系統(tǒng)有效性指標通常采用“傳輸容量”來描述。2)可靠性指標可靠性是指通信系統(tǒng)傳輸消息的質量(即傳輸?shù)臏蚀_程度問題)。模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標通常采用“輸出信噪比”來衡量。數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性指標通常采用“傳輸差錯率”來衡量。4.1現(xiàn)代通信技術4.1.2相關技術簡介1.GSM通信系統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng)(GSM)屬于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)，是在蜂窩系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來的。GSM網絡技術成熟，覆蓋范圍廣，合理有效地利用GSM網絡資源，可以避免組建專用數(shù)據(jù)傳輸網絡的成本費用高、通信距離短、通信效果差等諸多難題。如圖4.3所示，GSM通信系統(tǒng)主要是由交換網絡子系統(tǒng)(networkstationsystem，NSS)、基站子系統(tǒng)(basestationsystem，BSS)和移動臺(mobilestation，MS)三大部分組成。移動臺。基站子系統(tǒng)。網絡交換子系統(tǒng)。圖4.3

GSM通信系統(tǒng)4.1現(xiàn)代通信技術2.CDMA通信系統(tǒng)CDMA(Code-DivisionMultipleAccess)又稱碼分多址，是無線通信中使用的技術。在蜂窩移動通信的各種技術體制中，碼分多址占有十分重要的地位。它不僅是第二代數(shù)字蜂窩移動通信的兩大體制(歐洲的GSM和北美的IS-95)之一，而且是第三代移動通信的主要體制。3.常用短距離無線技術1)ZigBee2)WiFi3)藍牙4)IrDA5)LoRa6)NB-IoT7)4G8)5G4.2機器人通信系統(tǒng)4.2.1移動機器人通信系統(tǒng)的評價指標綜合以上特點，設計移動機器人通信系統(tǒng)時，需要考慮以下幾個因素。1.可靠性2.能量效率3.帶寬4.QoS4.2.2移動機器人通信的特點與傳統(tǒng)意義上的有線電話網絡或無線蜂窩網絡通信系統(tǒng)不同，移動機器人通信的主體是移動機器人，由于其應用背景不同，對于通信系統(tǒng)的要求有很大區(qū)別。對于特殊環(huán)境應用的移動機器人，需要特別關注以下幾方面。1.通信系統(tǒng)的健壯性2.能量受限3.體積受限4.2機器人通信系統(tǒng)4.2.3移動機器人通信系統(tǒng)設計1.有線通信與無線通信方案的考慮雖然現(xiàn)在通信的發(fā)展趨勢是無線通信的發(fā)展，但是在一些特定的環(huán)境中，還是要用上有線通信的。有線通信(wirecommunication)必須借助有形媒質(電線或光纜)來傳送信息。無線通信(wirelesscommunication)是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。有線通信與無線通信的比較如表4.1所示。

有線通信無線通信優(yōu)勢①信號穩(wěn)定，抗干擾效果好，②對人體輻射小，安全可靠①方便快捷②投資小劣勢①有固定線的束縛，不夠方便

②投資建設成本大①信號不穩(wěn)定，易被干擾②安全問題，任何同頻率的信號都有可能控制機器人或使得信號擁塞③頻譜是一個稀缺資源，使用無線信道需要協(xié)調4.2機器人通信系統(tǒng)2.無線通信的比特率與傳輸距離由于提供低功耗下的高速連接，WiFi成為目前最流行的無線標準。它的傳輸距離在l00m左右，無線網絡通常由小范圍內的互聯(lián)接入點組成。覆蓋距離有限使這種網絡被限制在辦公建筑、家用或其他室內環(huán)境中。4.3多機器人通信4.3.1多機器人通信模式一般來說，機器人之間的通信可以分為隱式通信和顯式通信兩種模式。圖4.4機器人的通信1.顯式通信顯式通信包括直接通信和間接通信兩種。1)直接通信要求發(fā)送者和接收者保持一致，即通信時發(fā)送者和接收者同時在線，因此需要一種通訊協(xié)議。2)間接通信不需要發(fā)送者與接收者保持一致。廣播是一種間接通信類型，它不要求一定有接收者，也不保證信息是否正確地傳送給接收者。監(jiān)聽(或觀察)是另一種類型的間接通信，它側重于信息接收者接收信息的方式。4.3多機器人通信2.隱式通信隱式通信是指多機器人系統(tǒng)通過外界環(huán)境和自身傳感器獲取所需的信息，并實現(xiàn)相互之間的協(xié)作，機器人之間沒有通過某種共有的規(guī)則和方式進行數(shù)據(jù)轉移和信息交換來實現(xiàn)特定含義信息的傳遞。1)感知通信2)環(huán)境通信3.通信模式的實現(xiàn)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。4.3多機器人通信4.3.2多機器人通信模型1.C/S模型在基于C/S模型的通信系統(tǒng)中，機器人之間的通信必須通過服務器“中轉”。系統(tǒng)具有中心服務器，所有客戶進程與服務器進程進行雙向通信，客戶進程間無直接通路。C/S通信模型如圖4.5所示。C/S通信適用于需要集中控制的場合，其結構簡單，易于實現(xiàn)，便于錯誤診斷及系統(tǒng)維護。一方面，中心服務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度。另一方面，客戶間進程通信效率低，中心服務器工作負荷大，其錯誤會導致整個系統(tǒng)崩潰。圖4.5C/S通信模型4.3多機器人通信2.P2P模型如圖4.6所示，P2P通信模型由中心結構改變?yōu)榉植际浇Y構，節(jié)點間通信不經過中心服務器的轉發(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的某個節(jié)點，因此系統(tǒng)負載較為均衡，可靠性高。圖4.6

P2P通信模型4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4.1基于計算機網絡的機器人通信基于計算機網絡的遠程控制機器人是指將機器人與互聯(lián)網連接，使得人們可以在任何地方通過瀏覽器訪問機器人，實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)視和控制。1.系統(tǒng)結構圖圖4.7給出了一種基于計算機網絡的遠程控制機器人系統(tǒng)的結構。系統(tǒng)從功能上包括計算機網絡服務器、應用程序服務器、圖像服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、機器人控制服務器五個部分。(1)計算機網絡服務器。(2)應用程序服務器。(3)圖像服務器。(4)數(shù)據(jù)庫服務器。(5)機器人控制服務器。圖4.7機器人網絡控制系統(tǒng)結構圖2.基于計算機網絡的機器人遠程控制要解決的問題1)時間延遲由于受帶寬和網絡負載變化的影響，網絡的長時間延遲具有不確定性。2)系統(tǒng)安全性與其他的互聯(lián)網站點一樣，基于計算機網絡的機器人控制站點也要面對網絡上潛在的惡意攻擊。4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4.2集控式機器人足球通信系統(tǒng)圖4.8為半自主型機器人足球比賽賽場的全視圖。根據(jù)不同的場地，可分為小型組(3V3)、中型組(5V5)、大型組(11V11)比賽。圖4.8足球機器人比賽平臺示意圖如圖4.9所示，通信子系統(tǒng)負責主機和足球機器人之間信息的傳遞。圖4.9無線通信子系統(tǒng)框圖RS-232無線數(shù)據(jù)發(fā)射器無線數(shù)據(jù)接收器電動機控制足球機器人計算機主機4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4.3基于AdHoc的無人機集群AdHoc一詞最早來源于拉丁語，拉丁語中的AdHoc的意思是forthis，后來又完善為forthispurposeonly，中文意思是“僅用于此目的”，因此可以把AdHoc網絡認為是一種有著特殊用途的網絡。AdHoc網絡是一種分布式結構的無線通信網絡，是一種無線移動自組織網絡，強調在一個廣闊的區(qū)域實現(xiàn)多跳的無線通信。圖4.10無人機協(xié)同一體化示意圖4.4.4基于LoRa的物聯(lián)網機器人系統(tǒng)物聯(lián)網是以互聯(lián)網、電信網絡等為基礎的信息載體，使普通萬物形成互聯(lián)網絡。如圖4.11所示，物聯(lián)網機器人是融合機器人與物聯(lián)網通信技術的感知執(zhí)行系統(tǒng)。LoRa是目前最成熟、穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網通信技術，可以以低發(fā)射功率獲得更廣距離的數(shù)據(jù)傳輸。LoRa網絡主要由終端(可內置LoRa模塊)、網關(或稱基站)、Server和云4部分組成。圖4.12給出了一個基于LoRa的機械臂遠程控制方案。圖4.11物聯(lián)網機器人系統(tǒng)模型圖4.12基于LoRa的機械臂遠程控制方案4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4智能機器人的通信系統(tǒng)實例4.4.5基于5G的“云—邊