《機器人程序設(shè)計-仿人機器人競技娛樂運動設(shè)計》課件第6章

第6章機器人藍牙控制6.1引言6.2無線通信原理6.3XM100藍牙通信系統(tǒng) 6.1引言

控制系統(tǒng)產(chǎn)生的機器人運動控制指令通過無線通信子系統(tǒng)發(fā)送給足球機器人。無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是機器人足球比賽系統(tǒng)的一個重要組成部分，選擇一種最佳的無線通信方式對在“技術(shù)戰(zhàn)爭”中獲得優(yōu)先權(quán)、把握先機，并取得最終勝利尤為重要。機器人足球系統(tǒng)的通信系統(tǒng)本身的特點和要求如下：

(1)機器人足球系統(tǒng)由一臺主機指揮3個(本系統(tǒng)設(shè)計的仿人型機器人足球系統(tǒng)為3VS3)、將來的5個和11個機器人進行比賽，每個足球機器人得到的命令各不相同，因此要求通信子系統(tǒng)能夠利用一臺發(fā)射器對不同足球機器人發(fā)送不同的任務(wù)信號。

(2)按照規(guī)則規(guī)定，為了避免互相干擾，比賽雙方至少要有兩種通信頻率供選擇，獲得開球權(quán)的球隊將優(yōu)先選擇通信頻率。

(3)規(guī)則對足球機器人的尺寸也有嚴格的要求，因而包括通信接收功能在內(nèi)的足球機器人各功能電路都必須做得緊湊，盡可能向集成化方向發(fā)展，或者易于擴展。

(4)機器人足球系統(tǒng)是一個快速實時系統(tǒng)，不斷提高系統(tǒng)的控制速率是當今機器人足球系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為保證系統(tǒng)以更快的速率運行，必須進一步減少通信用時，這就要求通信子系統(tǒng)有更高的通信頻率。

(5)在機器人足球系統(tǒng)中，足球機器人的智能水平較低，要靠上位機的指揮完成精確快速的攻防策略轉(zhuǎn)變。如果無線通信有錯誤，必然造成足球機器人的誤動作，導致錯失良機或輸球，所以要求通信子系統(tǒng)要有非常高的可靠性。

綜上所述，對機器人足球系統(tǒng)的通信子系統(tǒng)的要求有五點：一對多、頻率可選、結(jié)構(gòu)緊湊、通信速率高和性能可靠。

6.2無線通信原理

6.2.1RF(RadioFrequency)無線通信原理

目前在半自主機器人足球比賽(MiroSot)中，采用的是RF(射頻)無線通信系統(tǒng)。根據(jù)MiroSot比賽規(guī)則的要求，上位機與機器人小車之間必須采用無線通信的形式。在足球機器人系統(tǒng)中，上位機與機器人小車之間采用單向串行通信的方式，主機的控制指令數(shù)據(jù)通過計算機的串行口送至單片機，單片機將接收的數(shù)據(jù)進行頻率和格式的轉(zhuǎn)換，再送給無線通信模塊，經(jīng)過調(diào)制后發(fā)射出去，機器人的車載通信模塊接收并解調(diào)然后傳送給車載微處理器(TMS320F240)，其結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。圖6-1主機與機器人間通信示意圖

RF通信模塊采用的是專用的集成模塊(Radiometrix)，如圖6-2所示。這種模塊集成度高，性能穩(wěn)定，具有以下特點：

(1)有418?MHz和433?MHz兩種可選頻率。

(2)支持5?VCMOS邏輯電平。

(3)半雙工通信最大的速度可達40?kb/s。

(4)室內(nèi)有效傳輸范圍為30?m。

(5)易于與RS-232串口通信接口。圖6-2通信模塊外形及引腳圖

RF通信模塊包含三個主要部分，下面依次進行介紹。

1)發(fā)射部分

就像上級對下級發(fā)出命令一樣，主機發(fā)出指令給機器人，其間要經(jīng)過一個通信發(fā)射板。通信發(fā)射板采用89C2051單片機，用單向無線串行通信的方式向機器人發(fā)射指令。通信發(fā)射板則與主機的串口相連，通信板上的RF通信模塊與機器人上的RF通信模塊之間數(shù)據(jù)傳送采用無線通信的形式。實際上，僅一片89C2051單片機作為中間轉(zhuǎn)發(fā)器件，它接收數(shù)據(jù)時，與主機的通信波特率為19?200?b/s或38?400?b/s；而發(fā)送數(shù)據(jù)時，又將波特率改為9?600?b/s。為了進一步提高主機的串口通信速度，89C2051與主機的通信格式和它與DSP之間的通信格式是不一樣的，每個控制周期它從主機共接收8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而在數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換后，以9個字節(jié)的形式發(fā)送出去。

2)接收部分

機器人上的通信模塊接收數(shù)據(jù)，解調(diào)后傳送給TMS320F240的串行通信接口(SCI)，從而完成了主機與機器人小車之間的數(shù)據(jù)通信。

3)通信協(xié)議

為了實現(xiàn)一對多的通信，機器人的通信采用廣播方式，所有機器人采用統(tǒng)一的通信頻率，而發(fā)給不同機器人的命令則根據(jù)各自的標識位加以區(qū)分。每個機器人接收到的控制命令字包括三個字節(jié)，第一字節(jié)是機器人標號，第二字節(jié)和第三字節(jié)是該機器人的運行參數(shù)。對于3VS3系統(tǒng)來說，總的指令為10個字節(jié)，格式如圖6-1所示。每個機器人都能夠接收到上位機發(fā)送的任意一條指令，如果機器人檢測出信號的某一個字節(jié)與自己的標識相符，則隨后的命令被判斷為是有效的，即是機器人要執(zhí)行的命令。

6.2.2藍牙技術(shù)

藍牙(Bluetooth)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的，廣受業(yè)界關(guān)注的近距無線連接技術(shù)。藍牙是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ)，可為固定的或移動的終端設(shè)備提供廉價的接入服務(wù)。表6-1通信協(xié)議格式6.2.3藍牙的技術(shù)特點

藍牙技術(shù)是由SIG(SpecialInterestGroup)提出的一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口(RadioAirInterface)。藍牙工作在全球通用的2.4?GHzISM(即工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段，其數(shù)據(jù)速率為1?Mb/s。為避免某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等的干擾，藍牙特別設(shè)計了快速確認和跳頻方案，以確保鏈路穩(wěn)定。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙無線通信模塊采用全雙工、時分復(fù)用及跳頻擴譜等通信方式，具有很強的抗衰減和抗干擾能力，跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，使藍牙比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。6.2.4藍牙的系統(tǒng)組成

藍牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制(硬件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍牙軟件(協(xié)議棧)單元四個功能單元組成,如圖6-3所示。藍牙技術(shù)是由SIG(SpecialInterestGroup)提出的一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口(RadioAirInterface)。藍牙工作在全球通用的2.4?GHzISM(即工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段，其數(shù)據(jù)速率為1?Mb/s。為避免某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等的干擾，藍牙特別設(shè)計了快速確認和跳頻方案，以確保鏈路穩(wěn)定。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙無線通信模塊采用全雙工、時分復(fù)用及跳頻擴譜等通信方式，具有很強的抗衰減和抗干擾能力，跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，使藍牙比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。

圖6-3藍牙系統(tǒng)的組成

1)天線單元

藍牙技術(shù)的天線部分體積十分小巧、重量輕，屬于微帶天線。藍牙空中接口建立在0?dBm(1?mW)的基礎(chǔ)上，最大可達20?dBm(100?mW)，遵循FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)有關(guān)電平為0?dBm的ISM頻段的標準。

2)鏈路控制(硬件)單元

目前藍牙產(chǎn)品的鏈路控制硬件單元包括3個集成器件：基帶鏈路控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了3～5個單獨調(diào)諧元件。基帶鏈路控制器負責處理基帶協(xié)議和其他一些低層常規(guī)協(xié)議。藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結(jié)合，采用時分雙工實現(xiàn)全雙工傳輸。

3)鏈路管理(軟件)單元

鏈路管理(LM)軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其他遠端LM并通過LMP(鏈路管理協(xié)議)與之通信。

4)藍牙軟件(協(xié)議棧)單元

藍牙技術(shù)的規(guī)范接口可以直接集成到筆記本電腦或者通過PC卡或USB接口連接，或者直接集成到蜂窩電話中或通過附加設(shè)備連接。藍牙技術(shù)系統(tǒng)中的軟件(協(xié)議棧)是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁，它符合已經(jīng)制定好的藍牙規(guī)范，適用于集中不同商用操作系統(tǒng)(Windows、UNIX、PocketPC等)的藍牙技術(shù)規(guī)范正在完善中。6.2.5藍牙的關(guān)鍵技術(shù)

1)跳頻技術(shù)

跳頻是藍牙使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。對應(yīng)于單時隙分組，藍牙的跳頻速率為1600次/s；對應(yīng)于時隙包，跳頻速率有所降低，但在建鏈時(包括尋呼和查詢)則提高為3200次/s。使用這樣高的跳頻速率，因而藍牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力。它采用以多級蝶形運算為核心的映射方案，與其他方案相比，具有硬件設(shè)備簡單、性能優(yōu)越、便于79/23頻段兩種系統(tǒng)的兼容以及各種狀態(tài)的跳頻序列使用統(tǒng)一的電路來實現(xiàn)等特點。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，因此更穩(wěn)定。

2)差錯控制編碼技術(shù)

跳頻技術(shù)雖能有效地避開某些干擾點，但當干擾落到跳頻頻點上時，則會造成誤碼，甚至導致整個信息包的丟失。為了保證通信的可靠性，根據(jù)對不同信息的誤碼率指標要求，藍牙系統(tǒng)采用了三種不同的差錯控制編碼方案，其中兩種為前向糾錯，一種為自動請求重傳。信息包由報頭和凈荷兩部分組成，報頭中包含有重要的鏈路數(shù)據(jù)，需要重點保護，而凈荷中則裝有待傳輸?shù)挠脩粜畔?語音、數(shù)據(jù)等)，不同用戶信息對干擾的敏感程度不同，需要的保護程度也不同，因而采用如下不同的差錯控制編碼方式：

(1)編碼速率為113的FEC：主要用于報頭糾錯。此方案采用簡單的重復(fù)碼，目的在于提高譯碼速度。報頭中每位均重復(fù)傳輸3次，接收端再用大數(shù)判決法進行譯碼。此外，該方案也用于對HV1包格式中語音段的保護。

(2)編碼速率為213的FEC：采用(15，10)縮短漢明碼，可糾正在一個碼字中所發(fā)生的全部單個錯誤，或檢測出所有兩個錯誤。此方案用于DM、FHS、HV2包的糾錯，以及DV包數(shù)據(jù)段的保護。

(3)無編號ARQ方案：發(fā)送端發(fā)出一包數(shù)據(jù)后，必須在下一個時隙收到對方正確接收的確認信號(Ack)，才能發(fā)送新的信息包，否則將不斷重傳，直至收到Ack或超時為止。確認信息置于應(yīng)答包的報頭中，而凈荷檢錯則由CRC來完成，報頭和話音信息不受ARQ保護。此方案適用于DM、DH包格式，以及DV包格式中的數(shù)據(jù)段。

3)安全保密技術(shù)

無線信號很容易被截獲。為了確保通信的安全，藍牙系統(tǒng)采用了以下安全保密措施：

(1)權(quán)限鑒別。通過“請求—響應(yīng)”過程對用戶的身份進行確認，防止非法用戶訪問或纂改重要的數(shù)據(jù)和文件，并對某些功能的運用進行限制。

(2)加密。采用流密碼對信息進行加密，以防止竊聽，保護個人隱私。

(3)改變密鑰。在一次連接過程中，會話密鑰隨時可以改變。6.2.6藍牙技術(shù)與RF無線通信技術(shù)的比較

目前在半自主機器人足球比賽中(MiroSot)，采用RF無線通信技術(shù)對每個在場“球員”進行控制，每個機器人上都裝有無線接收器，接收主機發(fā)出的命令。盡管此技術(shù)已應(yīng)用多年，但仍存在一些問題，比如穩(wěn)定性不好、抗干擾能力差、可選頻率少(只有兩種：418?Hz和433?Hz)等問題。藍牙技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，其產(chǎn)品體積小、功耗低、抗干擾能力強、實時性及安全可靠性高，并有很好的擴展性，可選頻率多。在仿人型機器人足球系統(tǒng)中，藍牙模塊很容易與仿人型機器人主控制器上的接口相連，并易于擴展。藍牙系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一臺主機指揮多個機器人進行比賽，無論是現(xiàn)在的3對3，還是今后的5對5或11對11比賽，藍牙系統(tǒng)都能夠很好支持。藍牙無線通信的傳輸距離一般為10?cm～10?m(0?dBm)，如果增加功率或是加上某些外設(shè)可達到100?m(20?dBm)的傳輸距離，無論哪種比賽的無線通信都不會超過該距離，所以將藍牙無線通信技術(shù)運用在目前的機器人足球比賽中是切實可行的。 6.3XM100藍牙通信系統(tǒng)

6.3.1藍牙通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

完整的藍牙通信系統(tǒng)可以分為四個部分：計算機主機中的通信程序、藍牙發(fā)射器、藍牙接收器、足球機器人控制器中的通信程序。其中主機中的通信程序嵌入在決策子系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)接收器和機器人控制器的通信程序安裝在足球機器人上。通常認為通信硬件系統(tǒng)是由無線數(shù)據(jù)發(fā)射器和無線數(shù)據(jù)接收器兩部分組成的，如圖6-4所示。主機通過串口RS-232把機器人運動控制指令數(shù)據(jù)從藍牙發(fā)射端發(fā)射出去,藍牙接收端收到信號后，經(jīng)解調(diào)后獲得機器人運動控制指令數(shù)據(jù)。圖6-4藍牙無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)6.3.2XM100藍牙的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能

本章所使用的藍牙設(shè)備是由韓國miniRobot公司開發(fā)的XM100UART系統(tǒng)。XM100的硬件框圖如圖6-5所示。它的傳輸距離為10?m，頻段為2.4?GHz，發(fā)射端的XM100與計算機串口間利用UART相連，而每個機器人(3VS3系統(tǒng)中為3個機器人)上都裝有一個XM100藍牙接收端。其中，串口RS2-32與XM100藍牙發(fā)射端通過UART相連。UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器)是用于控制計算機與串行設(shè)備的芯片，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計算機就可以和其他使用RS-232C接口的串行設(shè)備進行通信了，具體流程如圖6-6所示。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流；將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用；在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗；在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標記；處理由鍵盤或鼠標發(fā)出的中斷信號(鍵盤和鼠標也是串行設(shè)備)；可以處理計算機與外部串行設(shè)備的同步管理問題。圖6-6藍牙發(fā)射/接收系統(tǒng)圖圖6-5XM100的硬件框圖主機對每個機器人下達命令的過程如下：主機發(fā)送指令到達串口，然后經(jīng)由UART傳達到藍牙發(fā)射端，藍牙發(fā)射端發(fā)射無線信號給每個接收端，當相應(yīng)的接收端接到指令后傳遞給機器人解碼控制器，轉(zhuǎn)換為機器人指令，從而執(zhí)行主機下達的命令。

對于XM100藍牙來說，一個發(fā)射端能夠控制多個接收端，這是通過對每個接收端藍牙模塊進行設(shè)置來實現(xiàn)的，最多可以設(shè)置255個不同的接收端。同時，為了避免不同球隊之間的通信干擾，該藍牙系統(tǒng)可以為每組發(fā)射/接收模塊設(shè)置不同的組標號(GroupID)，最多支持76組，這對于機器人足球比賽來說是十分充足的。藍牙1對多通信示意圖如圖6-7所示。圖6-7藍牙1對多通信示意圖6.3.3XM100UART通信協(xié)議

XM100UART發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)包由6部分組成，如表6-2所示。表6-2XM100藍牙通信協(xié)議組成其中，每個數(shù)據(jù)段說明如下：

(1)?SOP：數(shù)據(jù)頭，占1?Byte，在系統(tǒng)中內(nèi)容統(tǒng)一為Abh。

(2)?PacketKind：數(shù)據(jù)包類型，占1?Byte，在系統(tǒng)中內(nèi)容統(tǒng)一為Dah。

(3)?GroupID：分組I