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1 引言 無線局域網（Wireless local-area network, WLAN）是計算機網絡與無線通信技術相結 合的產物，自1987 年建成世界上第一個實驗性無線局域網以來得到了飛速的發展。WLAN 是一種典型的點對多點網絡，可在較小的范圍內提高高速數據服務。 無線局域網技術具有傳統局域網無法比擬的靈活性，通信范圍不受環境條件的限制，網 絡的傳輸范圍被大大拓寬。此外，無線局域網還具有抗干擾強、網絡保密性好的特點。對于 有線局域網中的諸多安全問題，在無線局域網基本上可以避免。而且相對于有線網絡，無線 局域網的組建、配置和維護都較為容易。 隨著機器人技術的發展，人們對機器人的要求不再局限于單個機器人，而將更多的精力 轉移到多個機器人組成的系統上。多機器人協作與控制研究的基本思想就是將多機器人系統 看作是一個群體或一個社會，從組織和系統的角度研究多個機器人之間的協作機制，從而充 分發揮多機器人系統各種內在的優勢。為了有效地交流和協商，必須解決機器人之間信息處 理與傳輸問題，即多機器人通信問題。在分布式多機器人系統中，無線通信網絡的節點由單 個機器人充當。 在計算機網絡中廣泛應用的物理鏈路形式、傳輸方式、通信協議等為多機器人系統的通 信機制提供了基本的解決方案，但由于多機器人系統的實時性、可靠性等方面具有特殊要求， 所以針對適用于多機器人系統分布式控制結構的通信機制的研究具有重要意義。主要包括通 信協議、網絡拓撲結構、通信內容和語言等。 2 移動機器人通信方式及通信協議 一般來說，機器人之間的通信（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器人系統中，各機器人不存在相互之間數據、信息的顯示交換， 所以多機器人系統可能無法使用一些高級的協調協作策略，從而影響了其完成復雜任務的能 力。而機器人的顯式通信，利用特定的通信介質，通過某種共有的規則和方式實現特定含義 信息的傳遞，可以快速、有效的完成各機器人間數據、信息的轉移和交換，實現許多在隱式 通信下無法完成的高級協調協作策略。 1987 年，由IEEE 802.4 組開始在IEEE 802 委員會中進行無線局域網的研究。1997 年 形成了第1 個無線局域網的標準802.11。目前，無線局域網標準由IEEE 802.11 發展到802.11、 802.11a、802.11b 發展到802.11s。802.11b 工作于2.4GHz ISM（工業、科技、醫療）頻帶， 采用直接序列擴頻和補碼鍵控，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 系統交互操作。 3 多移動機器人網絡拓撲結構研究 多機器人系統依靠幾個機器人的簡單組合并不能充分發揮其優勢，必須確定機器人之間 邏輯上和物理上的信息關系和控制關系，保證多機器人系統中信息流與控制流的暢通，為機 器人之間的活動、交互作用提供框架。合理的群體體系結構可以使多機器人之間進行有效的 合作，增強系統的容錯性、魯棒性和靈活性。 多機器人系統的群體體系結構可以分為集中式（centralized）和分散式（decentralized） 兩種。分散式結構又可以進一步劃分為分層式（hierarchical）和分布式（distributed）結構。 見下圖2 所示為多機器人系統群體體系結構。集中式結構（圖2-（a））的優點在于，理論 背景清晰，實現起來較為直觀，但容錯性差、靈活性差、適應性差，還存在主控單元和其他 機器人之間的通信瓶頸問題。分布式結構中沒有主控單元，如圖2-（b）所示，具有靈活性 和適應性強的優點，但是要注意避免各個個體片面強調“個性”，以自我為中心，過分強調自 己任務的重要性，而導致過多占有資源的情況，使得任務完成效率低下。分層式結構與分布 式結構的不同之處在于前者存在局部集中，如圖2-(c)所示，它是介于集中式結構與分布式 結構之間的一種混合結構。 4 多移動機器人的通信模型研究 計算機系統中，目前常用的通信模型有“客戶/服務器”(Client/Server，簡稱C/S 模型)模 型和“點對點”模型(Point-to-Point，簡稱PPP 模型)。在基于C/S 模型的通信系統中，計算 機進程間的通信必須通過通信服務器“中轉”；客戶進程間無直接通路，通信服務器的錯誤會 導致整個系統的崩潰，因此，可靠性較差，不能適應多機器人實時通信系統的要求。而點對 點通信模型是將C/S 模型由中心結構改變為分布式結構，一個通信節點進程的出錯將不會影 響其它節點進程，這有助于提高系統的可靠性；兩兩進程間存在直接通路，可進行直接通信， 有助于提高效率。然而，PPP 模型不適用于包含控制、調度、管理等任務的應用。 由于戰爭環境的惡劣復雜性以及特殊性，為增強多機器人系統適應環境的能力，綜合比 較C/S 和PPP 模型，我們提出了一種能支持系統復雜通信行為的基于C/S 和PPP 模型的混 合模型結構，其結構框圖如下圖3 所示。此WLAN 網絡可容納不多于256 個節點，圖3 以 4 個移動機器人為例，其中的節點即代指移動機器人。 5 系統設計及實現的關鍵技術 本文設計了一種分布式多機器人共享單一信道的通信機制。組網方式見圖3 矩形框部 分所示。各個機器人節點之間的關系是對等的（Peer To Peer）、分布式或者無中心的，可 以進行全互通式通信。這種網絡隨時需要隨時構建，因此該工作模式被稱作特別網絡或自組 織網絡（Ad Hoc Network），具有組網迅速、使用方便、抗毀性強等特點，多用于臨時組 網和軍事通信中。系統中各節點收發機制如下圖4 所示。在信道中，采用時分多址技術。 各機器人共享頻率資源，以時隙的不同來區分地址，避免機器人間的通信沖突。系統幀結構 由一個大幀，每大幀有4 個小子幀構成。每子幀由導碼、消息數據和保護時間構成。不同的 系統需求下，信令數據可以靈活選擇。 5.1 雙工方式 在無線電通信領域，使用的雙工模式主要有頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）兩種。 FDD 采用兩個對稱的頻率信道來分別發射和接收信號，發射和接收信道之間存在著一定的 頻段保護間隔，適用于大區制的國家和國際間覆蓋漫游；TDD 的發射和接收信號是在同一 頻率信道的不同時隙中進行，加入一定時隙的保護時間以防止重疊，可在信道內靈活控制、 改變發送和接收時段的長短比例，在進行不對稱的數據傳輸時，可充分利用有限的無線電資 源。根據兩種雙工方式的優缺點以及系統的性能指標要求，考慮到減小發射和接收端體積、 重量、提高頻譜利用率以及系統的穩定性和可是現行，我們選用TDD 方式。 時分雙工通信系統設計的關鍵是幀結構的設計，否則將造成通信無法正常運行。 5.2 多進制直擴 IEEE 制定的無線局域網的協議標準為802.11。802.11 的物理層有以下三種實現方法： 調頻擴頻(FHSS)、直接序列擴頻(DSSS)、紅外線(IR)。本系統采用直接序列擴頻實現。 擴頻技術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。故擴頻通信抗干 擾能力強、隱蔽性好、具有多址能力、可抗頻率選擇性衰落。 直接序列擴頻就是用一個寬帶擴頻信號或擴頻碼對已調的數據載波進行直接調制來實現帶寬的擴展。在時分多址通信系統中，采用直接序列擴頻技術來減少網內干擾、改善系統中存在的遠近效應。而二次擴頻的使用，通信系統的處理增益等于兩次擴頻的增益之和，使得系統能夠獲得較高的處理增益。 5.3 調制解調 從信號空間觀點來看,調制實際上是從信道編碼后的漢明空間到調制后的歐式空間的 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 二進制調制中，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傳輸高速 數據，采用了QPSK。 在通信系統中，載波解調有相干解調和非相干解調兩種。本系統采用的相干估值解調屬 于相干解調的范疇，可以傳輸更高的數據和提高系統可靠性。 5.4 同步技術 同步技術是擴頻系統接收機的關鍵技術。一般數字通信系統的同步問題包括載波同步、 位同步、幀同步。而對于直擴系統，它的同步技術還包括PN 碼同步。 比較常用的粗同步（即捕獲）方法有基于相關器的串行捕獲、基于相關器的并行捕獲以 及基于匹配濾波器的并行捕獲。而細同步（即跟蹤）主要有兩種方法，一是延遲鎖相環 （Delay-Locked Loop,DLL）跟蹤法，另一種是τ-抖動環（Tau-Dither Loop,TDL）跟蹤法。 綜合各種方法的優缺點及實際需求，在本系統中，粗同步的實現采用基于匹配濾波器的并行 捕獲，將誤差鎖定到一個碼片周期內；然后用加減脈沖法實現細同步的跟蹤。 6 結論 本文提出了一個多移動機器人系統的自組織網絡，著重討論了多機器人系統的通信方 式、通信模型以及網絡拓撲結構和相關實現的關鍵技術。基于上述技術的軟件仿真和硬件平 臺都已經驗證了可行性和可操作性。 |
