分布式多機(jī)器人共享單一信道的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用分析

作者：李俊萍，孫漢旭，賈慶軒

1 引言

無線局域網(wǎng)(Wireless local-area network, WLAN)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié) 合的產(chǎn)物，自1987 年建成世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性無線局域網(wǎng)以來得到了飛速的發(fā)展。WLAN 是一種典型的點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，可在較小的范圍內(nèi)提高高速數(shù)據(jù)服務(wù)。

無線局域網(wǎng)技術(shù)具有傳統(tǒng)局域網(wǎng)無法比擬的靈活性，通信范圍不受環(huán)境條件的限制，網(wǎng) 絡(luò)的傳輸范圍被大大拓寬。此外，無線局域網(wǎng)還具有抗干擾強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)保密性好的特點(diǎn)。對于 有線局域網(wǎng)中的諸多安全問題，在無線局域網(wǎng)基本上可以避免。而且相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線 局域網(wǎng)的組建、配置和維護(hù)都較為容易。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人們對機(jī)器人的要求不再局限于單個(gè)機(jī)器人，而將更多的精力 轉(zhuǎn)移到多個(gè)機(jī)器人組成的系統(tǒng)上。多機(jī)器人協(xié)作與控制研究的基本思想就是將多機(jī)器人系統(tǒng) 看作是一個(gè)群體或一個(gè)社會，從組織和系統(tǒng)的角度研究多個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)作機(jī)制，從而充 分發(fā)揮多機(jī)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(jī)器人之間信息處 理與傳輸問題，即多機(jī)器人通信問題。在分布式多機(jī)器人系統(tǒng)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由單 個(gè)機(jī)器人充當(dāng)。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的物理鏈路形式、傳輸方式、通信協(xié)議等為多機(jī)器人系統(tǒng)的通 信機(jī)制提供了基本的解決方案，但由于多機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等方面具有特殊要求， 所以針對適用于多機(jī)器人系統(tǒng)分布式控制結(jié)構(gòu)的通信機(jī)制的研究具有重要意義。主要包括通 信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信內(nèi)容和語言等。

2 移動機(jī)器人通信方式及通信協(xié)議

一般來說，機(jī)器人之間的通信(如圖1 所示)可以分為隱式通信和顯示通信兩類。

在使用隱式通信的多機(jī)器人系統(tǒng)中，各機(jī)器人不存在相互之間數(shù)據(jù)、信息的顯示交換， 所以多機(jī)器人系統(tǒng)可能無法使用一些高級的協(xié)調(diào)協(xié)作策略，從而影響了其完成復(fù)雜任務(wù)的能 力。而機(jī)器人的顯式通信，利用特定的通信介質(zhì)，通過某種共有的規(guī)則和方式實(shí)現(xiàn)特定含義 信息的傳遞，可以快速、有效的完成各機(jī)器人間數(shù)據(jù)、信息的轉(zhuǎn)移和交換，實(shí)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。

1987 年，由IEEE 802.4 組開始在IEEE 802 委員會中進(jìn)行無線局域網(wǎng)的研究。1997 年 形成了第1 個(gè)無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)802.11。目前，無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.11 發(fā)展到802.11、 802.11a、802.11b 發(fā)展到802.11s。802.11b 工作于2.4GHz ISM(工業(yè)、科技、醫(yī)療)頻帶， 采用直接序列擴(kuò)頻和補(bǔ)碼鍵控，能夠支持5.5Mbps 和11Mbps 兩種速率，可以與速率為1Mbps 和2Mbps 的802.11 DSSS 系統(tǒng)交互操作。

3 多移動機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

多機(jī)器人系統(tǒng)依靠幾個(gè)機(jī)器人的簡單組合并不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，必須確定機(jī)器人之間 邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系，保證多機(jī)器人系統(tǒng)中信息流與控制流的暢通，為機(jī) 器人之間的活動、交互作用提供框架。合理的群體體系結(jié)構(gòu)可以使多機(jī)器人之間進(jìn)行有效的 合作，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯性、魯棒性和靈活性。

多機(jī)器人系統(tǒng)的群體體系結(jié)構(gòu)可以分為集中式(centralized)和分散式(decentralized) 兩種。分散式結(jié)構(gòu)又可以進(jìn)一步劃分為分層式(hierarchical)和分布式(distributed)結(jié)構(gòu)。 見下圖2 所示為多機(jī)器人系統(tǒng)群體體系結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)(圖2-(a))的優(yōu)點(diǎn)在于，理論 背景清晰，實(shí)現(xiàn)起來較為直觀，但容錯性差、靈活性差、適應(yīng)性差，還存在主控單元和其他 機(jī)器人之間的通信瓶頸問題。分布式結(jié)構(gòu)中沒有主控單元，如圖2-(b)所示，具有靈活性 和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是要注意避免各個(gè)個(gè)體片面強(qiáng)調(diào)“個(gè)性”，以自我為中心，過分強(qiáng)調(diào)自 己任務(wù)的重要性，而導(dǎo)致過多占有資源的情況，使得任務(wù)完成效率低下。分層式結(jié)構(gòu)與分布 式結(jié)構(gòu)的不同之處在于前者存在局部集中，如圖2-(c)所示，它是介于集中式結(jié)構(gòu)與分布式 結(jié)構(gòu)之間的一種混合結(jié)構(gòu)。

4 多移動機(jī)器人的通信模型研究

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，目前常用的通信模型有“客戶/服務(wù)器”(Client/Server，簡稱C/S 模型)模 型和“點(diǎn)對點(diǎn)”模型(Point-to-Point，簡稱PPP 模型)。在基于C/S 模型的通信系統(tǒng)中，計(jì)算 機(jī)進(jìn)程間的通信必須通過通信服務(wù)器“中轉(zhuǎn)”;客戶進(jìn)程間無直接通路，通信服務(wù)器的錯誤會 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，因此，可靠性較差，不能適應(yīng)多機(jī)器人實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的要求。而點(diǎn)對 點(diǎn)通信模型是將C/S 模型由中心結(jié)構(gòu)改變?yōu)榉植际浇Y(jié)構(gòu)，一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)程的出錯將不會影 響其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)程，這有助于提高系統(tǒng)的可靠性;兩兩進(jìn)程間存在直接通路，可進(jìn)行直接通信， 有助于提高效率。然而，PPP 模型不適用于包含控制、調(diào)度、管理等任務(wù)的應(yīng)用。

由于戰(zhàn)爭環(huán)境的惡劣復(fù)雜性以及特殊性，為增強(qiáng)多機(jī)器人系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力，綜合比 較C/S 和PPP 模型，我們提出了一種能支持系統(tǒng)復(fù)雜通信行為的基于C/S 和PPP 模型的混 合模型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖3 所示。此WLAN 網(wǎng)絡(luò)可容納不多于256 個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖3 以 4 個(gè)移動機(jī)器人為例，其中的節(jié)點(diǎn)即代指移動機(jī)器人。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本文設(shè)計(jì)了一種分布式多機(jī)器人共享單一信道的通信機(jī)制。組網(wǎng)方式見圖3 矩形框部 分所示。各個(gè)機(jī)器人節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系是對等的(Peer To Peer)、分布式或者無中心的，可 以進(jìn)行全互通式通信。這種網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)需要隨時(shí)構(gòu)建，因此該工作模式被稱作特別網(wǎng)絡(luò)或自組 織網(wǎng)絡(luò)(Ad Hoc Network)，具有組網(wǎng)迅速、使用方便、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，多用于臨時(shí)組 網(wǎng)和軍事通信中。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)制如下圖4 所示。在信道中，采用時(shí)分多址技術(shù)。 各機(jī)器人共享頻率資源，以時(shí)隙的不同來區(qū)分地址，避免機(jī)器人間的通信沖突。系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu) 由一個(gè)大幀，每大幀有4 個(gè)小子幀構(gòu)成。每子幀由導(dǎo)碼、消息數(shù)據(jù)和保護(hù)時(shí)間構(gòu)成。不同的 系統(tǒng)需求下，信令數(shù)據(jù)可以靈活選擇。

5.1 雙工方式

在無線電通信領(lǐng)域，使用的雙工模式主要有頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種。 FDD 采用兩個(gè)對稱的頻率信道來分別發(fā)射和接收信號，發(fā)射和接收信道之間存在著一定的 頻段保護(hù)間隔，適用于大區(qū)制的國家和國際間覆蓋漫游;TDD 的發(fā)射和接收信號是在同一 頻率信道的不同時(shí)隙中進(jìn)行，加入一定時(shí)隙的保護(hù)時(shí)間以防止重疊，可在信道內(nèi)靈活控制、 改變發(fā)送和接收時(shí)段的長短比例，在進(jìn)行不對稱的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可充分利用有限的無線電資 源。根據(jù)兩種雙工方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，考慮到減小發(fā)射和接收端體積、 重量、提高頻譜利用率以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可是現(xiàn)行，我們選用TDD 方式。

時(shí)分雙工通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，否則將造成通信無法正常運(yùn)行。

5.2 多進(jìn)制直擴(kuò)

IEEE 制定的無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為802.11。802.11 的物理層有以下三種實(shí)現(xiàn)方法： 調(diào)頻擴(kuò)頻(FHSS)、直接序列擴(kuò)頻(DSSS)、紅外線(IR)。本系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)。

擴(kuò)頻技術(shù)一般是指用比信號帶寬寬的多的頻帶寬度來傳輸信息的技術(shù)。故擴(kuò)頻通信抗干 擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、具有多址能力、可抗頻率選擇性衰落。

直接序列擴(kuò)頻就是用一個(gè)寬帶擴(kuò)頻信號或擴(kuò)頻碼對已調(diào)的數(shù)據(jù)載波進(jìn)行直接調(diào)制來實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展。在時(shí)分多址通信系統(tǒng)中，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)來減少網(wǎng)內(nèi)干擾、改善系統(tǒng)中存在的遠(yuǎn)近效應(yīng)。而二次擴(kuò)頻的使用，通信系統(tǒng)的處理增益等于兩次擴(kuò)頻的增益之和，使得系統(tǒng)能夠獲得較高的處理增益。

5.3 調(diào)制解調(diào)

從信號空間觀點(diǎn)來看,調(diào)制實(shí)際上是從信道編碼后的漢明空間到調(diào)制后的歐式空間的 映射或者變換，可以是一維的也可以是多維的，可以是線性變換也可以使非線性變換。主要 的調(diào)制方式有振幅鍵控(ASK)，移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種基本方式。在 二進(jìn)制調(diào)制中，在抗加性高斯白噪聲方面，BPSK 最好;為了在有限的信道頻帶內(nèi)傳輸高速 數(shù)據(jù)，采用了QPSK。

在通信系統(tǒng)中，載波解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種。本系統(tǒng)采用的相干估值解調(diào)屬 于相干解調(diào)的范疇，可以傳輸更高的數(shù)據(jù)和提高系統(tǒng)可靠性。

5.4 同步技術(shù)

同步技術(shù)是擴(kuò)頻系統(tǒng)接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。一般數(shù)字通信系統(tǒng)的同步問題包括載波同步、 位同步、幀同步。而對于直擴(kuò)系統(tǒng)，它的同步技術(shù)還包括PN 碼同步。

比較常用的粗同步(即捕獲)方法有基于相關(guān)器的串行捕獲、基于相關(guān)器的并行捕獲以 及基于匹配濾波器的并行捕獲。而細(xì)同步(即跟蹤)主要有兩種方法，一是延遲鎖相環(huán) (Delay-Locked Loop,DLL)跟蹤法，另一種是τ-抖動環(huán)(Tau-Dither Loop,TDL)跟蹤法。 綜合各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)際需求，在本系統(tǒng)中，粗同步的實(shí)現(xiàn)采用基于匹配濾波器的并行 捕獲，將誤差鎖定到一個(gè)碼片周期內(nèi);然后用加減脈沖法實(shí)現(xiàn)細(xì)同步的跟蹤。

6 結(jié)論

本文提出了一個(gè)多移動機(jī)器人系統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)，著重討論了多機(jī)器人系統(tǒng)的通信方 式、通信模型以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相關(guān)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。基于上述技術(shù)的軟件仿真和硬件平 臺都已經(jīng)驗(yàn)證了可行性和可操作性。

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