移動機器人原理與技術 課件 第八章 移動機器人的通信系統(tǒng)

移動機器人技術原理與應用第八章

移動機器人的通信系統(tǒng)AdHoc自組網(wǎng)技術基于計算機網(wǎng)絡的移動機器人通信8.1現(xiàn)代無線通信技術8.28.38.1現(xiàn)代無線通信技術8.1.1GSM通信系統(tǒng)GSM是世界上第一個對數(shù)字調(diào)制、網(wǎng)絡層結構和業(yè)務作了規(guī)定的蜂窩系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡一共有4種不同的蜂窩單元尺寸：巨蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同的環(huán)境而不同。巨蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩則是那些天線高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市區(qū)內(nèi)。8.1.1GSM通信系統(tǒng)微微蜂窩則是那種很小的蜂窩只覆蓋幾十米的范圍，主要用于室內(nèi)。傘蜂窩則是用于覆蓋更小的蜂窩網(wǎng)的盲區(qū)，填補蜂窩之間的信號空白區(qū)域。蜂窩半徑范圍根據(jù)天線高度、增益和傳播條件可以從百米以上至數(shù)十公里。實際使用的最長距離GSM規(guī)范支持到35公里。蜂窩移動通信的出現(xiàn)是一次移動通信革命。由于頻率的復用，大大提高了頻率復用率并增大了系統(tǒng)容量，網(wǎng)絡的智能化實現(xiàn)了越區(qū)轉接和漫游功能，擴大了客戶的服務范圍，但也存在著帶寬無法滿足信息內(nèi)容的局限。8.1.2CDMA通信系統(tǒng)CDMA，碼分多址，是在擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術，相應的技術標準包括北美的IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，CDMA通信技術已經(jīng)成為了第三代通信技術（3G）的技術標準。第四代移動通信技術（4G）引入了MIMO無線通信技術，將寬帶互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無限通信網(wǎng)絡相結合，提高了無線網(wǎng)絡的信息吞吐量、擴大覆蓋區(qū)域和傳輸質(zhì)量，滿足了語音、視頻等等信息的傳輸，但傳輸速度仍然有提升空間,目前，5G技術已經(jīng)在世界上很多地區(qū)開始應用。8.1.3紅外通信技術紅外通信是利用紅外線作為通信載體的一種無線通信技術。紅外線是電磁波的一個部分，比可見光略短，但是攜帶的信息量較大。紅外傳輸一般由紅外發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對一個紅外輻射源進行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，一般利用波長850~900nm的紅外線傳輸，采用ASK、PPW等調(diào)制方式將二進制調(diào)制成脈沖序列，驅(qū)動紅外線發(fā)射管向外發(fā)送紅外光，接收端則將收到的紅外光脈沖信號轉換成電信號，再進行放大、濾波、解調(diào)后還原成二進制數(shù)，就構成了紅外通信系統(tǒng)。8.1.3紅外通信技術紅外通信的傳輸方式主要有點對點方式和廣播的方式。1.點對點方式：點對點傳輸時指使用高度聚焦的紅外線光束發(fā)送信息或者控制遠距離信息的紅外傳輸方式。局域網(wǎng)或者廣域網(wǎng)都可以使用點對點的傳輸方式在短距離和遠距離上傳輸數(shù)據(jù)。點對點紅外傳輸使用在局域網(wǎng)中，用來將距離較近的建筑連接起來。優(yōu)點是：使用點對點紅外介質(zhì)可以減少衰減，使得偷聽困難安全性高；適合較短距離通信傳輸速率較高；保密性強、信息容量大；構造簡單，使用較為靈活；有較的方向性。缺點是：易受到塵埃、雨水8.1.3紅外通信技術的影響；強遠距離通信，通常需要高功率激光發(fā)射器，造成費用昂貴；容易受到強光干擾。2.廣播方式：紅外廣播系統(tǒng)向一個廣大的區(qū)域傳送信號，并且允許多個接收器同時接收信號。它的一個主要優(yōu)點是可移動性，相對點對點來說計算機工作站和其他設備可以更容易的移動。優(yōu)點是：安裝簡單，只要設備有暢通的信道和足夠強度的信號，就可以安裝到信號能到達的任何地方，使得重新構架網(wǎng)絡容易；缺點：信號衰減受到光強和純凈介質(zhì)影響；電磁干擾無法避免。8.1.3紅外通信技術由于其結構簡單、容易實現(xiàn)、成本低等特點，紅外通信標準的廣泛兼容性可以為用戶提供更多的選擇的無線通信方式，其在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中也得到廣泛應用。隨著短距離無線通信技術的發(fā)展，PAN的概念被提了出來，也就是所謂的個人局域網(wǎng)。PAN國際通信的核心思想是，用無線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜，實現(xiàn)個人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個人化的信息網(wǎng)絡。通過個人終端設備進行局域網(wǎng)內(nèi)，以及外網(wǎng)通信。紅外通信技術成為了實現(xiàn)PAN的方式。8.1.4藍牙通信技術作為一種短距離無線通信方式，藍牙通信的實質(zhì)內(nèi)容是建立一個通用的無線空中接口以及控制軟件的公開標準，從而使得不同廠家的便攜設備能夠在沒有電纜互相連接的情況下在較短距離內(nèi)完成互通。藍牙通信技術將內(nèi)嵌藍牙芯片的設備互聯(lián)起來，提供話音和數(shù)據(jù)的接入服務，實現(xiàn)信息的自動交換和處理。從出現(xiàn)至今一直在不斷的更新發(fā)展，并一直在各種移動設備上廣泛使用。8.1.4藍牙通信技術藍牙通信工作在全球通用的免費的2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率為IMbps，采用時分雙工實現(xiàn)全雙工傳輸?，F(xiàn)階段藍牙技術的主要工作范圍在10米左右，經(jīng)過增加射頻功率后的藍牙技術可以在100米的范圍進行工作。紅外和藍牙參數(shù)比較8.1.5UWB超寬帶通信技術UWB超寬帶（UltraWideBand）是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線技術，3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率是UWB所使用的頻率范圍。與IEEE802.1la、IEEE802.1lb和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。其數(shù)據(jù)速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，消耗電能小、保密性好、生產(chǎn)成本低。8.1.5UWB超寬帶通信技術UWB技術可實現(xiàn)短距離高速應用，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到數(shù)百兆比特每秒，主要是構建短距離高速WPAN、家庭無線多媒體網(wǎng)絡以及替代高速率短程有線連接，如無線USB和DVD，其典型的通信距離是10m。同時，也可以實現(xiàn)中長距離（幾十米以上）低速率應用，通常數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡和低速率連接。另外，UWB采用到達時間差定位（TDOA）方法實現(xiàn)無線定位，是目前無線定位最為流行的一種方案。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術AdHoc網(wǎng)絡不需要有線基礎設備的支持，通過移動主機自由的組網(wǎng)實現(xiàn)通信。它是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成的一個多跳的、臨時性自治系統(tǒng)。在自組網(wǎng)中，每個用戶終端不僅能移動，而且，兼有路由器和主機兩種功能。在AdHoc網(wǎng)絡中，每個主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過多個主機的轉發(fā)才能到達目的地。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術AdHoc網(wǎng)絡中的節(jié)點主要包括普通移動終端和報文轉發(fā)兩個功能。依據(jù)功能可以將節(jié)點分為三種，依附的具體設備分別為：主機、路由器和電臺三部分。其中主機部分完成普通移動終端的功能，包括人機接口、數(shù)據(jù)處理等應用軟件；路由器部分主要負責維護網(wǎng)絡的拓撲結構和路由信息，完成報文的轉發(fā)功能；電臺主要提供無線信道支持。在物理結構層面可以將節(jié)點結構分為單主機但電臺、單主機多電臺、多主機單電臺和多主機多電臺。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術按AdHoc網(wǎng)絡結構來劃分：平面結構和分級結構兩種。1.AdHoc網(wǎng)絡平面結構平面結構中，所有節(jié)點的地位平等，也可以稱為對等式結構，原則上不存在瓶頸節(jié)點，比較健壯，并且節(jié)點的覆蓋范圍比較小，相對比較安全。其缺點是當用戶較多的時候，特別是在移動的情況下，存在處理能力弱，可擴充性差，每一個節(jié)點都需要知道到達其他所有節(jié)點的路由。維護這些動態(tài)變換的路由信息需要大量的控制消息，主要適用于中小型網(wǎng)絡。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術平面結構網(wǎng)絡8.2AdHoc自組網(wǎng)技術2.AdHoc網(wǎng)絡分級結構在分級結構中，將網(wǎng)絡劃分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成高一級的網(wǎng)絡。在高一級的網(wǎng)絡中，又可以分簇，再次形成更高一級的網(wǎng)絡，直到最高級。在分級結構中，簇頭節(jié)點負責簇間的數(shù)據(jù)轉發(fā)。簇頭可以預先指定，也可以由節(jié)點使用算法自動選舉產(chǎn)生。分級結構的網(wǎng)絡又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術（1）單頻分級單頻率分級網(wǎng)絡圖中，其所有節(jié)點使用同一個頻率通信，為了實現(xiàn)簇頭之間的通信，需要有網(wǎng)關節(jié)點的支持。單頻分級結構8.2AdHoc自組網(wǎng)技術（2）多頻分級在多頻網(wǎng)絡中不同級采用不同的通信頻率。低級節(jié)點的通信范圍較小，而高級節(jié)點要覆蓋較大的范圍。高級節(jié)點要覆蓋較大的范圍，高級的節(jié)點同時處于多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現(xiàn)不同級的通信。多頻分級結構8.2AdHoc自組網(wǎng)技術在分級網(wǎng)絡結構中，簇成員的功能比較簡單、不需要維護復雜的路由信息。這也就大大減少了網(wǎng)絡中路由控制數(shù)量，具有平面結構所不具有的良好擴充性。由于簇頭節(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是，維護分級結構需要執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭節(jié)點可能會稱為網(wǎng)絡的瓶頸。3.多移動機器人AdHoc自組網(wǎng)AdHoc網(wǎng)絡可用于多移動機器人系統(tǒng)自組網(wǎng)，現(xiàn)有的無線通信方式大都支持構建AdHoc網(wǎng)絡。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術利用藍牙的方式建立AdHoc網(wǎng)絡時，在每個移動機器人本體上都安裝藍牙設備，藍牙技術將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)包，利用BNEP藍牙封裝協(xié)議去定義數(shù)據(jù)包格式，在相同頻段的藍牙設備上傳輸網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包，使藍牙設備有組建網(wǎng)絡和交換信息的能力。這樣，搭載有藍牙設備的移動機器人能夠在規(guī)定的空間范圍內(nèi)自動建立相互之間的聯(lián)系，無需用戶干預就可以自動連接并傳輸數(shù)據(jù)。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術在各移動機器人建立藍牙通信的過程中，移動機器人首先將自身的藍牙設備的藍牙服務開啟，使其隨機選擇進入AdHoc網(wǎng)絡主節(jié)點或者從節(jié)點狀態(tài)。成為主節(jié)點的藍牙設備處于偵聽的狀態(tài)，并嘗試搜索周圍的設備，而其他節(jié)點則作為從節(jié)點，進入連接請求狀態(tài)。當主節(jié)點發(fā)現(xiàn)從節(jié)點后，根據(jù)全球唯一的UUID號，來搜索其他移動機器人的藍牙服務。只有UUID號相同的藍牙設備才會被加入到搜索結果設備列表中，之后搭載藍牙設備的移動機器人可以進行正常的通信。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術如果兩個移動機器人建立了藍牙連接，一個移動機器人扮演主節(jié)點，另一個移動機器人扮演從節(jié)點。主節(jié)點并無特權，而是指它控制著移動機器人之間的通信同步，主節(jié)點決定跳頻樣式和跳頻序列的相位，通過不同的跳頻序列來識別每一個從節(jié)點，并與之通信。當移動機器人處在通信范圍內(nèi)的時候，使用Client/Server模式運用Socket套接字編程軟件實現(xiàn)通信。Sokcet接口實際是一個API接口。當網(wǎng)絡傳輸層的模塊程序要進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要為其指定一個端口來提供收發(fā)。在創(chuàng)建套8.2AdHoc自組網(wǎng)技術接字后，通過bind函數(shù)和listen函數(shù)，服務器端在某一端口等待客戶端的連接請求。通過connect函數(shù)，客戶端則可以向服務器端發(fā)送一個連接請求。服務器端這時可以通過accept函數(shù)來接收連接請求，accept函數(shù)在收到請求后，會返回得到一個新的套接字，通過這個新的套接字來與該客戶端進行通信。至此，服務器端和客戶端之間的連接就建立起來了，接下來便是通過receive和send等函數(shù)進行通信了。當通信結束的時候，調(diào)用close函數(shù)來關閉套接字，同時釋放相關資源。8.2AdHoc自組網(wǎng)技術Socket通信機制8.2AdHoc自組網(wǎng)技術每個移動機器人都是一個網(wǎng)絡節(jié)點，首先初始化各節(jié)點，初始化的過程就是將藍牙服務打開，然后隨機運行客戶端程序和服務器程序，建立通信套接字，服務器端首先進入監(jiān)聽狀態(tài)，隨后客戶端套接字發(fā)送連接請求，請求到達服務器后被動接收，需要建立新的套接字進行通信，原來處于監(jiān)聽的套接字并無變化，依舊進行監(jiān)聽。如果由一個移動機器人主動發(fā)起連接，其它移動機器人響應，它們之間就會形成一個自組織網(wǎng)絡，構成平面結構的AdHoc網(wǎng)絡形式。8.3基于計算機網(wǎng)絡的移動機器人通信8.3.1TCP/IP協(xié)議流的操作系統(tǒng)基本上都是采用TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）協(xié)議族，事實上Internet的工業(yè)標準都是TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP協(xié)議模型，包含了一系列構成互聯(lián)網(wǎng)基礎的網(wǎng)絡協(xié)議，是Internet的核心協(xié)議，通過20多年的發(fā)展已日漸成熟，并被廣泛應用于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中，目前已成為事實上的國際標準。8.3.1TCP/IP協(xié)議TCP/IP通訊協(xié)議采用了4層的層級結構，自底而上分別是數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。每一層完成不同的功能，且通過若干協(xié)議來實現(xiàn)，上層協(xié)議使用下層協(xié)議提供的服務每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡來完成自己的需求。8.3.1TCP/IP協(xié)議TCP/IP是一個協(xié)議集，對Internet中主機的尋址方式，主機的命名機制，信息的傳輸規(guī)則，以及各種服務功能作了約定。IP協(xié)議是Internet中的交通規(guī)則，連入Internet中的每臺計算機及處于十字路口的路由器都必須熟知和遵守該交通規(guī)則。IP運行于互聯(lián)層。屏蔽各個物理網(wǎng)絡的細節(jié)和差異。TCP為傳輸控制協(xié)議，運行于傳輸層。利用IP層提供的服務，提供端到端的可靠的（TCP）服務。8.3.2基于Internet的遠