智能機(jī)器人原理與應(yīng)用 課件 第4章 智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識(shí)別”研究所第四章

智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是智能機(jī)器人個(gè)體以及群體機(jī)器人協(xié)調(diào)工作的一個(gè)重要組成部分。機(jī)器人的通信可以從通信對(duì)象角度分為內(nèi)部通信和外部通信。內(nèi)部通信是為了協(xié)調(diào)模塊間的功能行為，主要通過各部件的軟硬件接口來實(shí)現(xiàn)。外部通信指機(jī)器人與控制者或機(jī)器人之間的信息交互，一般通過獨(dú)立的通信專用模塊與機(jī)器人連接整合實(shí)現(xiàn)。多機(jī)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(wù)。4.1現(xiàn)代通信技術(shù)4.1.1基本概念1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)的基本模型圖4.1為一典型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。（2）信道是傳遞信息的通道及傳遞信號(hào)的設(shè)施。（3）接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，把從信道上接收的信號(hào)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(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。（5）噪聲源是指系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結(jié)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(shù)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(yīng)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(shù)3.現(xiàn)代通信系統(tǒng)的分類1)按通信業(yè)務(wù)分類(1)按傳輸內(nèi)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(shí)間，可分為實(shí)時(shí)通信與非實(shí)時(shí)通信。2)按傳輸介質(zhì)分類(1)有線通信。有線通信的傳輸介質(zhì)為電纜和光纜。(2)無線通信。3)按調(diào)制方式分類(1)基帶傳輸。(2)頻帶傳輸(調(diào)制傳輸)。4)按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類按信道中傳輸?shù)男盘?hào)分類，可分為模擬通信和數(shù)字通信。5)按收發(fā)者是否運(yùn)動(dòng)分類按收發(fā)者是否運(yùn)動(dòng)分類，可分為固定通信和移動(dòng)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(shí)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(shù)1)有效性指標(biāo)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(biāo)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(biāo)通常采用“傳輸容量”來描述。2)可靠性指標(biāo)可靠性是指通信系統(tǒng)傳輸消息的質(zhì)量(即傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度問題)。模擬通信系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)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(biāo)通常采用“傳輸差錯(cuò)率”來衡量。4.1現(xiàn)代通信技術(shù)4.1.2相關(guān)技術(shù)簡介1.GSM通信系統(tǒng)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)屬于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，覆蓋范圍廣，合理有效地利用GSM網(wǎng)絡(luò)資源，可以避免組建專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的成本費(fèi)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(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(networkstationsystem，NSS)、基站子系統(tǒng)(basestationsystem，BSS)和移動(dòng)臺(tái)(mobilestation，MS)三大部分組成。移動(dòng)臺(tái)?；咀酉到y(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)。圖4.3

GSM通信系統(tǒng)4.1現(xiàn)代通信技術(shù)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(shù)。在蜂窩移動(dòng)通信的各種技術(shù)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(dòng)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(dòng)通信的主要體制。3.常用短距離無線技術(shù)1)ZigBee2)WiFi3)藍(lán)牙4)IrDA5)LoRa6)NB-IoT7)4G8)5G4.2機(jī)器人通信系統(tǒng)4.2.1移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素。1.可靠性2.能量效率3.帶寬4.QoS4.2.2移動(dòng)機(jī)器人通信的特點(diǎn)與傳統(tǒng)意義上的有線電話網(wǎng)絡(luò)或無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)不同，移動(dòng)機(jī)器人通信的主體是移動(dòng)機(jī)器人，由于其應(yīng)用背景不同，對(duì)于通信系統(tǒng)的要求有很大區(qū)別。對(duì)于特殊環(huán)境應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人，需要特別關(guān)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(jī)器人通信系統(tǒng)4.2.3移動(dòng)機(jī)器人通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhì)(電線或光纜)來傳送信息。無線通信(wirelesscommunication)是利用電磁波信號(hào)在自由空間中傳播的特性進(jìn)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(hào)穩(wěn)定，抗干擾效果好，②對(duì)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(shè)成本大①信號(hào)不穩(wěn)定，易被干擾②安全問題，任何同頻率的信號(hào)都有可能控制機(jī)器人或使得信號(hào)擁塞③頻譜是一個(gè)稀缺資源，使用無線信道需要協(xié)調(diào)4.2機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。它的傳輸距離在l00m左右，無線網(wǎng)絡(luò)通常由小范圍內(nèi)的互聯(lián)接入點(diǎn)組成。覆蓋距離有限使這種網(wǎng)絡(luò)被限制在辦公建筑、家用或其他室內(nèi)環(huán)境中。4.3多機(jī)器人通信4.3.1多機(jī)器人通信模式一般來說，機(jī)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(jī)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(shí)發(fā)送者和接收者同時(shí)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(cè)重于信息接收者接收信息的方式。4.3多機(jī)器人通信2.隱式通信隱式通信是指多機(jī)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(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)作，機(jī)器人之間沒有通過某種共有的規(guī)則和方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和信息交換來實(shí)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(shí)現(xiàn)隱式通信與顯式通信是多機(jī)器人系統(tǒng)各具特色的兩種通信模式。4.3多機(jī)器人通信4.3.2多機(jī)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(jī)器人之間的通信必須通過服務(wù)器“中轉(zhuǎn)”。系統(tǒng)具有中心服務(wù)器，所有客戶進(jìn)程與服務(wù)器進(jìn)程進(jìn)行雙向通信，客戶進(jìn)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(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，便于錯(cuò)誤診斷及系統(tǒng)維護(hù)。一方面，中心服務(wù)器利用其特殊地位了解各客戶機(jī)的需求，這有利于對(duì)客戶進(jìn)程的管理以及實(shí)現(xiàn)通信資源的合理分配與調(diào)度。另一方面，客戶間進(jìn)程通信效率低，中心服務(wù)器工作負(fù)荷大，其錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。圖4.5C/S通信模型4.3多機(jī)器人通信2.P2P模型如圖4.6所示，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(diǎn)間通信不經(jīng)過中心服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接進(jìn)行通信，提高了通信效率。系統(tǒng)運(yùn)行不依賴于模型中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)負(fù)載較為均衡，可靠性高。圖4.6

P2P通信模型4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4.1基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人通信基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人是指將機(jī)器人與互聯(lián)網(wǎng)連接，使得人們可以在任何地方通過瀏覽器訪問機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4.7給出了一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)從功能上包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、圖像服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、機(jī)器人控制服務(wù)器五個(gè)部分。(1)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。(2)應(yīng)用程序服務(wù)器。(3)圖像服務(wù)器。(4)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。(5)機(jī)器人控制服務(wù)器。圖4.7機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制要解決的問題1)時(shí)間延遲由于受帶寬和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的影響，網(wǎng)絡(luò)的長時(shí)間延遲具有不確定性。2)系統(tǒng)安全性與其他的互聯(lián)網(wǎng)站點(diǎn)一樣，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制站點(diǎn)也要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)上潛在的惡意攻擊。4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4.2集控式機(jī)器人足球通信系統(tǒng)圖4.8為半自主型機(jī)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(jī)器人比賽平臺(tái)示意圖如圖4.9所示，通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)主機(jī)和足球機(jī)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(dòng)機(jī)控制足球機(jī)器人計(jì)算機(jī)主機(jī)4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4.3基于AdHoc的無人機(jī)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(wǎng)絡(luò)認(rèn)為是一種有著特殊用途的網(wǎng)絡(luò)。AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式結(jié)構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，是一種無線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)調(diào)在一個(gè)廣闊的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多跳的無線通信。圖4.10無人機(jī)協(xié)同一體化示意圖4.4.4基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)的信息載體，使普通萬物形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如圖4.11所示，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人是融合機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)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(wǎng)通信技術(shù)，可以以低發(fā)射功率獲得更廣距離的數(shù)據(jù)傳輸。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(可內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱基站)、Server和云4部分組成。圖4.12給出了一個(gè)基于LoRa的機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制方案。圖4.11物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)模型圖4.12基于LoRa的機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制方案4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4智能機(jī)器人的通信系統(tǒng)實(shí)例4.4.5基于5G的“云—邊