移动机器人原理与技术 课件 第八章 移动机器人的通信系统

移动机器人技术原理与应用第八章

移动机器人的通信系统AdHoc自组网技术基于计算机网络的移动机器人通信8.1现代无线通信技术8.28.38.1现代无线通信技术8.1.1GSM通信系统GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。GSM网络一共有4种不同的蜂窝单元尺寸：巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。覆盖面积因不同的环境而不同。巨蜂窝可以被看作那种基站天线安装在天线杆或者建筑物顶上那种。微蜂窝则是那些天线高度低于平均建筑高度的那些，一般用于市区内。8.1.1GSM通信系统微微蜂窝则是那种很小的蜂窝只覆盖几十米的范围，主要用于室内。伞蜂窝则是用于覆盖更小的蜂窝网的盲区，填补蜂窝之间的信号空白区域。蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里。实际使用的最长距离GSM规范支持到35公里。蜂窝移动通信的出现是一次移动通信革命。由于频率的复用，大大提高了频率复用率并增大了系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但也存在着带宽无法满足信息内容的局限。8.1.2CDMA通信系统CDMA，码分多址，是在扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术，相应的技术标准包括北美的IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA，CDMA通信技术已经成为了第三代通信技术（3G）的技术标准。第四代移动通信技术（4G）引入了MIMO无线通信技术，将宽带互联网和宽带无限通信网络相结合，提高了无线网络的信息吞吐量、扩大覆盖区域和传输质量，满足了语音、视频等等信息的传输，但传输速度仍然有提升空间,目前，5G技术已经在世界上很多地区开始应用。8.1.3红外通信技术红外通信是利用红外线作为通信载体的一种无线通信技术。红外线是电磁波的一个部分，比可见光略短，但是携带的信息量较大。红外传输一般由红外发射系统和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，一般利用波长850~900nm的红外线传输，采用ASK、PPW等调制方式将二进制调制成脉冲序列，驱动红外线发射管向外发送红外光，接收端则将收到的红外光脉冲信号转换成电信号，再进行放大、滤波、解调后还原成二进制数，就构成了红外通信系统。8.1.3红外通信技术红外通信的传输方式主要有点对点方式和广播的方式。1.点对点方式：点对点传输时指使用高度聚焦的红外线光束发送信息或者控制远距离信息的红外传输方式。局域网或者广域网都可以使用点对点的传输方式在短距离和远距离上传输数据。点对点红外传输使用在局域网中，用来将距离较近的建筑连接起来。优点是：使用点对点红外介质可以减少衰减，使得偷听困难安全性高；适合较短距离通信传输速率较高；保密性强、信息容量大；构造简单，使用较为灵活；有较的方向性。缺点是：易受到尘埃、雨水8.1.3红外通信技术的影响；强远距离通信，通常需要高功率激光发射器，造成费用昂贵；容易受到强光干扰。2.广播方式：红外广播系统向一个广大的区域传送信号，并且允许多个接收器同时接收信号。它的一个主要优点是可移动性，相对点对点来说计算机工作站和其他设备可以更容易的移动。优点是：安装简单，只要设备有畅通的信道和足够强度的信号，就可以安装到信号能到达的任何地方，使得重新构架网络容易；缺点：信号衰减受到光强和纯净介质影响；电磁干扰无法避免。8.1.3红外通信技术由于其结构简单、容易实现、成本低等特点，红外通信标准的广泛兼容性可以为用户提供更多的选择的无线通信方式，其在嵌入式系统产品中也得到广泛应用。随着短距离无线通信技术的发展，PAN的概念被提了出来，也就是所谓的个人局域网。PAN国际通信的核心思想是，用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。通过个人终端设备进行局域网内，以及外网通信。红外通信技术成为了实现PAN的方式。8.1.4蓝牙通信技术作为一种短距离无线通信方式，蓝牙通信的实质内容是建立一个通用的无线空中接口以及控制软件的公开标准，从而使得不同厂家的便携设备能够在没有电缆互相连接的情况下在较短距离内完成互通。蓝牙通信技术将内嵌蓝牙芯片的设备互联起来，提供话音和数据的接入服务，实现信息的自动交换和处理。从出现至今一直在不断的更新发展，并一直在各种移动设备上广泛使用。8.1.4蓝牙通信技术蓝牙通信工作在全球通用的免费的2.4GHzISM频段，数据速率为IMbps，采用时分双工实现全双工传输。现阶段蓝牙技术的主要工作范围在10米左右，经过增加射频功率后的蓝牙技术可以在100米的范围进行工作。红外和蓝牙参数比较8.1.5UWB超宽带通信技术UWB超宽带（UltraWideBand）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术，3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率是UWB所使用的频率范围。与IEEE802.1la、IEEE802.1lb和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。其数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，消耗电能小、保密性好、生产成本低。8.1.5UWB超宽带通信技术UWB技术可实现短距离高速应用，数据传输速率可以达到数百兆比特每秒，主要是构建短距离高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速率短程有线连接，如无线USB和DVD，其典型的通信距离是10m。同时，也可以实现中长距离（几十米以上）低速率应用，通常数据传输速率为1Mbit/s，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。另外，UWB采用到达时间差定位（TDOA）方法实现无线定位，是目前无线定位最为流行的一种方案。8.2AdHoc自组网技术AdHoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信。它是由一组带有无线收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的、临时性自治系统。在自组网中，每个用户终端不仅能移动，而且，兼有路由器和主机两种功能。在AdHoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。8.2AdHoc自组网技术AdHoc网络中的节点主要包括普通移动终端和报文转发两个功能。依据功能可以将节点分为三种，依附的具体设备分别为：主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件；路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能；电台主要提供无线信道支持。在物理结构层面可以将节点结构分为单主机但电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。8.2AdHoc自组网技术按AdHoc网络结构来划分：平面结构和分级结构两种。1.AdHoc网络平面结构平面结构中，所有节点的地位平等，也可以称为对等式结构，原则上不存在瓶颈节点，比较健壮，并且节点的覆盖范围比较小，相对比较安全。其缺点是当用户较多的时候，特别是在移动的情况下，存在处理能力弱，可扩充性差，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由。维护这些动态变换的路由信息需要大量的控制消息，主要适用于中小型网络。8.2AdHoc自组网技术平面结构网络8.2AdHoc自组网技术2.AdHoc网络分级结构在分级结构中，将网络划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成高一级的网络。在高一级的网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直到最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇间的数据转发。簇头可以预先指定，也可以由节点使用算法自动选举产生。分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种。8.2AdHoc自组网技术（1）单频分级单频率分级网络图中，其所有节点使用同一个频率通信，为了实现簇头之间的通信，需要有网关节点的支持。单频分级结构8.2AdHoc自组网技术（2）多频分级在多频网络中不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级节点要覆盖较大的范围，高级的节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。多频分级结构8.2AdHoc自组网技术在分级网络结构中，簇成员的功能比较简单、不需要维护复杂的路由信息。这也就大大减少了网络中路由控制数量，具有平面结构所不具有的良好扩充性。由于簇头节点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是，维护分级结构需要执行簇头选举算法，簇头节点可能会称为网络的瓶颈。3.多移动机器人AdHoc自组网AdHoc网络可用于多移动机器人系统自组网，现有的无线通信方式大都支持构建AdHoc网络。8.2AdHoc自组网技术利用蓝牙的方式建立AdHoc网络时，在每个移动机器人本体上都安装蓝牙设备，蓝牙技术将传输的数据分割成数据包，利用BNEP蓝牙封装协议去定义数据包格式，在相同频段的蓝牙设备上传输网络协议数据包，使蓝牙设备有组建网络和交换信息的能力。这样，搭载有蓝牙设备的移动机器人能够在规定的空间范围内自动建立相互之间的联系，无需用户干预就可以自动连接并传输数据。8.2AdHoc自组网技术在各移动机器人建立蓝牙通信的过程中，移动机器人首先将自身的蓝牙设备的蓝牙服务开启，使其随机选择进入AdHoc网络主节点或者从节点状态。成为主节点的蓝牙设备处于侦听的状态，并尝试搜索周围的设备，而其他节点则作为从节点，进入连接请求状态。当主节点发现从节点后，根据全球唯一的UUID号，来搜索其他移动机器人的蓝牙服务。只有UUID号相同的蓝牙设备才会被加入到搜索结果设备列表中，之后搭载蓝牙设备的移动机器人可以进行正常的通信。8.2AdHoc自组网技术如果两个移动机器人建立了蓝牙连接，一个移动机器人扮演主节点，另一个移动机器人扮演从节点。主节点并无特权，而是指它控制着移动机器人之间的通信同步，主节点决定跳频样式和跳频序列的相位，通过不同的跳频序列来识别每一个从节点，并与之通信。当移动机器人处在通信范围内的时候，使用Client/Server模式运用Socket套接字编程软件实现通信。Sokcet接口实际是一个API接口。当网络传输层的模块程序要进行数据传输时，需要为其指定一个端口来提供收发。在创建套8.2AdHoc自组网技术接字后，通过bind函数和listen函数，服务器端在某一端口等待客户端的连接请求。通过connect函数，客户端则可以向服务器端发送一个连接请求。服务器端这时可以通过accept函数来接收连接请求，accept函数在收到请求后，会返回得到一个新的套接字，通过这个新的套接字来与该客户端进行通信。至此，服务器端和客户端之间的连接就建立起来了，接下来便是通过receive和send等函数进行通信了。当通信结束的时候，调用close函数来关闭套接字，同时释放相关资源。8.2AdHoc自组网技术Socket通信机制8.2AdHoc自组网技术每个移动机器人都是一个网络节点，首先初始化各节点，初始化的过程就是将蓝牙服务打开，然后随机运行客户端程序和服务器程序，建立通信套接字，服务器端首先进入监听状态，随后客户端套接字发送连接请求，请求到达服务器后被动接收，需要建立新的套接字进行通信，原来处于监听的套接字并无变化，依旧进行监听。如果由一个移动机器人主动发起连接，其它移动机器人响应，它们之间就会形成一个自组织网络，构成平面结构的AdHoc网络形式。8.3基于计算机网络的移动机器人通信8.3.1TCP/IP协议流的操作系统基本上都是采用TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）协议族，事实上Internet的工业标准都是TCP/IP协议族。TCP/IP协议模型，包含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议，通过20多年的发展已日渐成熟，并被广泛应用于局域网和广域网中，目前已成为事实上的国际标准。8.3.1TCP/IP协议TCP/IP通讯协议采用了4层的层级结构，自底而上分别是数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层完成不同的功能，且通过若干协议来实现，上层协议使用下层协议提供的服务每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。8.3.1TCP/IP协议TCP/IP是一个协议集，对Internet中主机的寻址方式，主机的命名机制，信息的传输规则，以及各种服务功能作了约定。IP协议是Internet中的交通规则，连入Internet中的每台计算机及处于十字路口的路由器都必须熟知和遵守该交通规则。IP运行于互联层。屏蔽各个物理网络的细节和差异。TCP为传输控制协议，运行于传输层。利用IP层提供的服务，提供端到端的可靠的（TCP）服务。8.3.2基于Internet的远