移動機(jī)器人通信技術(shù)的研究

移動機(jī)器人通信技術(shù)的研究

移動機(jī)器人技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)綜合學(xué)科。它整合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動控制等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。隨著移動機(jī)器人在各領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對其“智能”的要求也日益提高，要求多機(jī)器人之間具有協(xié)作能力。多機(jī)器人協(xié)作和控制研究的基本思想就是將多機(jī)器人之間的協(xié)作看作一個(gè)群體，研究其協(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。1移動機(jī)器人通信模式1.1上位機(jī)通信控制器機(jī)器人上位機(jī)與下位機(jī)通信是多機(jī)器人通信的特例，即雙機(jī)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(jī)器人多采用無線方式，通信控制器作為一個(gè)中間過渡環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)對于下位機(jī)而言，是一個(gè)主控機(jī)控制多個(gè)從機(jī)的系統(tǒng)，與各從機(jī)之間采用有線或無線方式進(jìn)行通信。上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)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(jī)來控制機(jī)器人的各種動作。1.2實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境的通信機(jī)制在多機(jī)器人系統(tǒng)中，通過通信多機(jī)器人系統(tǒng)中各機(jī)器人了解其它機(jī)器人的意圖、目標(biāo)和動作以及當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)等信息，進(jìn)而進(jìn)行有效的磋商，協(xié)作完成任務(wù)。機(jī)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(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)作，機(jī)器人之間沒有直接進(jìn)行信息交換。在隱式通信中機(jī)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(shí)，也可能獲取到其它的機(jī)器人遺留下的信息。此多機(jī)器人系統(tǒng)中，各機(jī)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(fù)雜任務(wù)的能力。使用顯式通信的多機(jī)器人系統(tǒng)利用特定的通信介質(zhì)，快速有效地完成各機(jī)器人間信息的交互，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。但由于多機(jī)器人系統(tǒng)在通信的實(shí)時(shí)性、可靠性等方面有特殊要求，所以針對適用于多機(jī)器人系統(tǒng)分布式控制結(jié)構(gòu)的特定環(huán)境的通信機(jī)制的研究具有重要的意義。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，如果將兩者各自的優(yōu)勢結(jié)合起來，則多機(jī)器人系統(tǒng)就可以靈活地應(yīng)對各種動態(tài)未知環(huán)境，完成許多復(fù)雜任務(wù)。2總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多機(jī)器人通信拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在多機(jī)器人通信中應(yīng)用得較多?？偩€拓?fù)涞闹匾卣魇强刹捎枚嘀吩L問和廣播介質(zhì)，易于組成分布式系統(tǒng)?？偩€拓?fù)涞牡湫痛硎侵囊蕴W(wǎng)?？偩€結(jié)構(gòu)是目前多機(jī)器人通信系統(tǒng)中采用最多的一種拓?fù)湫问?，其?yōu)點(diǎn)是具有較好的堅(jiān)固性。3現(xiàn)行通信技術(shù)協(xié)作是多機(jī)器人系統(tǒng)的重要特征，協(xié)作的實(shí)現(xiàn)離不開通信。在多智能體機(jī)器人環(huán)境中，通信系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)，要為多機(jī)器人系統(tǒng)提供良好的通信平臺以實(shí)現(xiàn)總體控制功能。3.1csma/cd的模式選擇針對保證實(shí)時(shí)通信的研究工作有很多，如令牌總線、令牌環(huán)、分布式隊(duì)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(gè)物理或邏輯環(huán)，增加的硬件設(shè)備導(dǎo)致費(fèi)用較高，管理和分發(fā)很復(fù)雜，帶來的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)將較大。在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里總線式CSMA/CA得到廣泛應(yīng)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(gè)問題是報(bào)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(shí)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(jìn)而來的。采用CSMA/CD控制方式時(shí)，不足的一面是，當(dāng)各機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)信號處理量下降。對于應(yīng)用層協(xié)議的研究，目前基于多智能體的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性為代價(jià)的，往往達(dá)不到預(yù)期的效果。相反，無連接的、不可靠的、盡最大努力投遞報(bào)文的UDP協(xié)議雖然沒有差錯(cuò)控制、超時(shí)重發(fā)、擁塞控制等可靠性保證策略，但這也正是UDP的特點(diǎn)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(rèn)包的“握手”過程，但保證了UDP的“輕量”、快速的特點(diǎn)，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(jī)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(diǎn)到點(diǎn)方式，詳見表2。3.3“客戶/服務(wù)器、點(diǎn)對點(diǎn)”模型在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，目前常用的通信模型有“客戶/服務(wù)器”模型(C/S:Client/Server)和“點(diǎn)對點(diǎn)”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(jī)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(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。此模型適用于需要集中控制的應(yīng)用，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；另外，C/S模型結(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)。其缺點(diǎn)也很明顯：客戶進(jìn)程間通信效率低，服務(wù)器工作負(fù)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(cuò)誤會導(dǎo)致整個(gè)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(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)行不依賴于模型中某個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此系統(tǒng)負(fù)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(yīng)用。我們希望有一種機(jī)制能對系統(tǒng)資源進(jìn)行統(tǒng)一、可預(yù)計(jì)分配。如果采用P2P模型來實(shí)現(xiàn)，由于智能體的對等特性，那么每個(gè)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(fù)擔(dān)；智能體內(nèi)部狀態(tài)的任何變化都必須及時(shí)通知其它智能體，增加了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)；每個(gè)智能體都必須處理控制或調(diào)度相關(guān)的計(jì)算，增加了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。由于多機(jī)器人系統(tǒng)是典型的分布式多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng),它運(yùn)行在環(huán)境經(jīng)常動態(tài)變化的真實(shí)世界中,為增強(qiáng)多機(jī)器人系統(tǒng)適應(yīng)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(shí)現(xiàn)智能體能力的動態(tài)可擴(kuò)充。綜合比較C/S和P2P模型,可考慮建立能支持系統(tǒng)復(fù)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(jī)器人智能系統(tǒng)多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。美、歐、日等國家從20世紀(jì)80年代中期就開始對多機(jī)器人系統(tǒng)做了大量研究，協(xié)作機(jī)器人學(xué)得到了較好的發(fā)展。日本對群體機(jī)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(jì)底層的通信結(jié)構(gòu)而把機(jī)器人、周圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)等連接起來的自治多機(jī)器人智能系統(tǒng)。CEBOT系統(tǒng)中，每個(gè)機(jī)器人可以自主地運(yùn)動，整個(gè)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(xué)習(xí)和適應(yīng)的群體智能。我國群體機(jī)器人的研究起步較晚，上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器