（计算机应用技术专业论文）无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用.pdfVIP

ab s t r a c t ab s t r a c t n e t w o r k e d ro b o t s t e c h n o l o g y i s a h o t re s e a r c h s u b j e c t i n c u r r e n t f i e l d o f r o b o t r e s e a r c h . i t s c o r e i d e a i s t o d i s t r i b u t e r o b o t s e n s i n g , p r o c e s s i n g a n d i m p l e m e n t i n g m o d u l e s i n t h e n e t w o r k , a n d m a k e s t h e m f u n c t i o n a s n e t w o r k n o d e s . a s re g a r d s t h e n e t w o r k e d r o b o t s t e c h n o l o g y re s e a r c h , t h e r e s e a r c h o n c o m p e t i t i v e n e t w o r k e d r o b o t s i s s t i l l r a r e b u t i s i m p o r t a n t . t h e i n s t i t u t e o f r o b o t i c s a n d a u t o m a t i c i n f o r ma t i o n s y s t e m o f n a n k a i u n i v e r s i t y h a s b e e n d o i n g i n - d e p t h re s e a r c h o n c o m p e t i t i v e n e t w o r k e d r o b o t s , c o n t i n u o u s l y i m p r o v i n g i t s re s e a r c h s y s t e m , a n d u n d e r t a k i n g a l o t o f w o r k o n t h e e s t a b l i s h m e n t o f i t s e x p e r i m e n t p l a t f o r m . n o w w e h a v e d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d a c o m p l e t e s e t o f r e s o u r c e - c o l l i d e n e t w o r k e d r o b o t s e x p e r im e n t s y s t e m t e l e - d a rt o n t h e g e n e r i c c o m p e t i t i v e n e t w o r k e d e x p e r i m e n t p l a t f o r m . a h o s t o f e x p e r i m e n t s h a v e b e e n d o n e t o e x p l o re t h e n a t u re o f c o m p e t i t i v e n e t w o r k e d ro b o t s a n d s o m e r e s u lt s h a v e b e e n a c h i e v e d . i n o r d e r t o e n r i c h t h e r e s e a r c h o f c o m p e t i t i v e n e t w o r k e d r o b o t s , w e b e g i n t o d e s i g n a n d r e a l i z e a t t a c k - d e f e n d n e t w o r k e d ro b o t s e x p e r i m e n t s y s t e m n a m e d t e l e - l i g h t s a b e r . i n t h e d e s i g n p r o c e s s o f t e l e - l i g h t s a b e r , w e i n t r o d u c e w ir e l e s s s e n s o r n e t w o r k t e c h n o l o g y . t h e c o m b i n a t i o n o f w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k t e c h n o l o g y a n d r o b o t t e c h n o l o g y n o t o n ly e n h a n c e s t h e r o b o t s a b i l i ty t o a c c e s s i n f o r m a t i o n , b u t t h e a p p l i c a t i o n o f w i re l e s s s e n s o r n e t w o r k t e c h n o l o g y i n t h e ro b o t s y s t e m . t h i s p a p e r e l a b o r a t e s o n t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t e l e - l i g h t s a b e r e x p e r i m e n t s y s t e m , i n c l u d i n g w i re l e s s s e n s o r n o d e s , l a s e r m o d u l e s , e m b e d d e d s o ft w a r e a n d e x p e r i m e n t r id e s , a n d p r e s e n t s e a c h m o d u l e s h a r d w a r e b l u e p r i n t a n d s o ft w a re fl o w c h a r t . a ft e r t h a t , t h e p a p e r e m p h a s i z e s t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k , i n c l u d i n g w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k a r c h i t e c t u r e , r f m o d u l e d e s i g n , d a t a fl o w d e s i g n a n d a n a l y s i s . c o m b in e d w it h t h e e x p e r im e n t r u l e s o f t e l e - l i g h t s a b e r , e x p e r i m e n t d a t a a n d a n a l y s i s r e s u l t s a r e g i v e n .i n a d d i t i o n , t h e p a p e r a l s o i n t r o d u c e s t h e re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f w i re l e s s s e n s o r n e t w o r k o n i r a i s o t h e r p r o j e c t s , a n d i n t h e e n d m a k e s a n i m p r o v e m e n t p r o s p e c t f o r 1 1 ab s t r a c t t e l e - l i g h t s a b e r s y s t e m. n e t w o r k e d r o b o t s , t e l e - l i g h t s a b e r , wi r e l e s s s e n s o r ne t wo r k 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、 使用学位论文的规定， 同意如 下各项内容: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本; 学校有权保 存学位论文的印刷本和电 子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手 段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电子版; 在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 如 饭 年了月 2 言 日 门了 勿 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 告 ， k 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年( 最 长5 年 ， 可 少 于5 年 ) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) ; 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 舌 州 吸 2 -0 介r ” 2 q 第一章 绪论 第一章绪论 第一节 竞争型网络机器人概述 1 . 1 . 1 网络机器人研究的历史与现状 网络机器人的概念从上世纪8 0 年代就已经出现， 其核心思想是将传统机器 人的传感、处理、执行各个模块分布到网络上，成为网络中的节点，这些节点 通过网络进行通信，协同完成工作。较早对这一概念进行深入研究的是 wi d e p r o j e c t ( w i d e ly i n t e g r a t e d d i s t r ib u t e d e n v i r o n m e n t ) h l . 该 项目 从 事的 是 互 联网 络的基础研究，但其整合网络的思想、研究的内 容和成果成为网络机器人学研 究的基础。 早期对网络机器人学的研究主要以如何在一个有延时的互联网络上控制远 程机器人为主， 即 经由 互联网的 遥操作的 研究( t e l e o p e r a t i o n v i a i n t e rn e t ) 。 这一 方面的 研究主要以 t e l e o p e r a t i o n 为主 要关键词， 较早以 n e t w o r k e d r o b o t i c s 出 现 是 在 a i m 9 7 ( i n t e rn a t i o n a l c o n f e r e n c e o n a d v a n c e d i n t e l li g e n t m e c h a t r o n i c s 9 7 ) tz l 上的 名为 “ h u m a n f r i e n d l y a n d n e t w o r k e d r o b o t i c s 的 w o r k s h o p s 随着机器人技术与网络技术的发展，网络机器人与遥操作机器人技术的研 究领域共同从单机器人发展到多机器人系统后，网络机器人的研究领域发生了 拓展，不仅覆盖了原有遥操作机器人技术，而且还以分布式系统为主要技术， 涵盖了很多新的技术点。 对这一变化影响比较大的是网络机器人计划( n e t w o r k e d r o b o t p r o j e c t ) 3 1和网 络 机 器 人 论 坛( n e tw o r k r o b o t f o r u m ) 14 1 。 这 两 个 项目 都 是以 服务机器人为背景，在现有的无处不在的互联网络的基础上，建立一个为 人类服务的智能网络机器人群体， 他们处于网络之中，通过网络通信，采集交 换信息，最终完成导航、学习、服务等一系列工作。其研究的重点为机器人平 台、机器人通信、信息传感与信息融合、人机交互与人机关系等。 如今，网络机器人学已经成为机器人研究领域的热点，各国科研工作者都 t 第一章 绪论 开始对其进行大量的研究。其研究内容与机器人学中的许多研究点相互交织融 合，共同构建机器人领域的知识框架。这些研究内容包括:机器人遥操作、网 络技术、多机器人系统、机器人通信及通信协议、分布式系统和集群机器人技 术等。 由于网络机器人系统的复杂性，目 前仍然没有一种被公认的适用于网 络机 器人系统的体系结构。因此，许多科研者正致力于构建这样一种体系结构，试 图能够处理分布式多机器人系统中的各种问题。在此基础上，对多机器人集群 系统本身的研究也是网络机器人中的重点研究内容。人们对集群问题的研究是 从仿生学开始的，研究蚁群和蜂群的协作方式，试图突破1 +1 2 这一从量变到 质变的瓶颈，并已经取得了一些成果。 将人置身于网络机器人系统之中，作为系统的一部分也是网络机器人的一 个特点，因此，就要研究人的智能与机器人智能以 及环境智能之间的协调、通 信等问题，尤其是人机关系问题，不仅是机器人领域的研究点，也是社会学研 究的范畴。 除此之外，网络机器人学还在嵌入式计算、自 组织与重构、自 学习与自 适 应等多个领域进行研究，这些领域与机器人学中的其他领域互相搜盖互相影响， 共同推进机器人领域的进步与发展。 目 前对网络机器人研究比较深入的国家或地区分为三大阵营，分别是美国、 日 韩 和 欧 盟 周 。 美国的研究主要以机器人协同作业为主，研究的对象为军用机器人、空间 探索机器人、机器人车等。日韩以人类友好的机器人研究为主，并结合社会老 龄化的背景，研究服务机器人。欧盟的研究点主要集中在集群机器人上，以 s w a r m项目 为代表。美国的机器人领域研究主要集中 在各个大学和科研单位， 国家投入主要集中在基础研究和军事应用。日 韩以企业投入和政府支持为特点， 尤其以日 本为代表的机器人工业已经具有非常完善的机制和巨大的规模。欧盟 的研发也以政府投入为主，政府企业和大学研究所的投入力量相对比较均衡。 第一章 绪论 我国网络机器人领域的研究刚刚起步，目 前还处于跟踪世界先进水平的地 位，较少有代表性的世界领先级的科研成果。但近几年，我国对机器人研究和 机器人产业越来越重视，投入也日益增加。 1 . 1 . 2 竞争型网络机器人系统 目 前对于多操作者多机器人( m o m r : m u l t i - o p e r a t o r m u l t i - r o b o t ) 网络机 器 人系统u : 的 研究仅 仅局限于 协作型网 络机器人系统， 而针对诸如军事、反恐 等新兴领域的 m o m r网络机器人系统特点进行的研究还未见报道。由于该类 型系统有别于传统mo mr系统 ( 即协作型) ，其作业目 标不同，甚至对立，不 需要像协作型 mo mr系统那样对各个操作者进行协调同步。因此已有的针对 于协作型系统的 研究方法不能直接应用于该类系统，不能片面的将 mo m r网 络机器人系统等同于协作型 mo mr网络机器人系统， 需要引入新的概念，与 协作型网络机器人系统区分开来，并针对其特点进行具体的研究。 为此，南开大学机器人与信息自 动化研究所通过近十年对网络机器人系统 的 研 究 ， 特 别 是 对 于t e le g a r n e 7 a 系 统的 研 究， 提出 竞 争 型网 络 机 器 人、 对 抗 度、 竞争度19 , 1 0 1 等原 创概念。 并将竞争型网 络 机器人分为两 个小类: 直接对抗型和资 源抢占型。 直接对抗型网 络机器人系统也可称为进攻防守型网 络机器人系统。参与竞 争的机器人之间是进攻和防守的关系，两者之间互为竞争对象，并以战胜对方 为目的。 资源抢占 型网络机器人系统 ( 非直接对抗型网 络机器人系统)指各个参与 者在一定的规则下，相互竞争，对第三方资源和环境抢占的 mo mr网路机器 人系统。 我们己建立了一套成熟的资源抢占型网络机器人系统一 一 = r e l e - d a rt ，为了 丰富竞争型网络机器人的 研究， 着手建立一套直接对抗型网络机器人系统 t e l e - l i g h t s a b e r n . 设 计 这 两 套 系 统的目 的 是: 在实 际 的 实 验 系 统中 ， 测 试竞 争 第一章 绪论 添加传感器;而且在未来实际应用环境中，机器人通常工作在未知、无有线网 络的环境中，所以在机器人上的传感器以无线的方式与控制者通信就显得尤其 必要。因 此， 在t e le - l i g h t s a b e r 实验系统中 ， 我们应用了 无线传感技术， 增强 了这个实验系统的可用性。在未来的竞争型网络机器人研究中，会应用移动机 器人，也会使用更多无线传感节点，此实验系统也为将来的研究积累了宝贵的 经验。 本文将详细介绍直 接对抗型网 络机器人实 验系统t e l e - l i g h t s a b e r 的 设计与 实现，并重点介绍无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用及实验数据 分析。 本论文共分为五章，各章节的内容安排如下: 第一章.介绍了网络机器人和无线传感网络研究的历史和现状，简要介绍 了竞争型网 络机器人系统，阐明了 课题背景及本文的工作，并概述了本文的主 要内容和结构安排。 第二章.详细阐述了竞争型网络机器人实验系统 实现。 的设计与 第三章.首先介绍了无线传感网络的一些基本概念及无线传感技术在机器 人系统中 应用的背景， 之后详细介绍了 无线传感技术在 t e l e- l i g h t s a b e r 中的应 用。 第四 章. 应用t e l e - l i g h t s a b e r ， 提取实 验数据， 通过数据分析促进系统的改 进。 第五章.对全文的工作做了总结，并对现有系统的改进与提高提出了建议 和展望。 第二章 竞争型网 络机器人实验系统t e l e - l ig h t s a b e r 的设计与实现 第二章 竞争型网络机器人实验系统t e l e - l i g h t s a b e r 的 设计与实现 第一节 t e l e - l i g h t s a b e r 的设计背景 为了进一步完善竞争型网络机器人研究，在已有资源抢占型网络机器人平 台的基础上， 我们着手建设一个直接对抗型网络机器人作业平台。 此类型作业， 参与竞争的机器人之间是进攻和防守的关系，两者之间互为竞争对象，并以战 胜对方为目的。在作业过程中，操作者不仅要攻击对方机器人，而且还需要保 护己 方机器人。同时，由于对方机器人受控于具有高度智能的操作者， 无法对 对方机器人的状态进行预测。因此，在该类作业中，机器人处于高度复杂动态 的环境中，对方机器人的运动，以及所处环境的变化较快或无法预测，在机器 人工作期间会有大量突发事件产生。这就需要操作者能够及时感知操作环境的 变化，并根据机器人状态和现场环境对机器人进行实时控制作业。该系统具有 强交互性， 开放性和灵活性等特点，通过竞争的形式进行网络机器人控制算法 的 研究， 可为此类对抗度很强的竞争型机器人的研究提供十分友好的 测试平台。 同时，可以借鉴博弈论中 “ 零和”等概念和方法，对直接对抗型网络机器人系 统进行评测和研究。 南开大学机器人与信息自 动化研究所在竞争型网络机器人上的研究经过了 多年的理论与实践积累，已 建立了资源抢占 型网络机器人实验系统t e l e - d a r t . 现有的 硬件实验环境与系统体系结构如图2 . 1 和图2 .2 . 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 第三章无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应 用 无线传感网络技术与机器人技术的结合不仅增强了机器人的工作能力，使 机器人有了更强的获取信息的能力;同时，无线传感网络技术在机器人系统中 的应用，尤其在移动机器人系统中的应用，使无线传感网络有了广阔的应用基 础和平台，因此也有了更大的实际用途。 本章第一节介绍无线传感网络的微节点结构、网 络结构及网络体系结构， 从中可以 看到无线传感网络目 前的 研究重点。第二节先对无线传感技术在机器 人系统中的典型应用作了举例，之后结合无线传感网络微节点结构和网络体系 结构，重点介绍了无线传感网 络技术在竞争型网络机器人系统 t e l e - l i g h t s a b e r 中的应用，不但介绍了 无线传感网 络的体系结构及无线传输数据流，也给出了 各无线传感模块的程序流程图。南开大学机器人研究所不但在 t e l e - l i g h t s a b e r 系统中应用了无线传感技术，也在其它项目中研究和应用了无线传感技术。我 们研究了 无线传感网络中的核心问 题之定位问题，也构建了一个无线传 感网络用于温湿度检测，这些内容将在第三节中介绍。 第一节 无线传感网络的节点结构、网络结构及网络体系结构 3 . 1 . 1 无线传感微节点结构 如图3 . 1 12 1 1 所示， 无线传感微节点主要包括四 个单元: 传感 单元 ( s e n s i n g u n i t ) :由 传感器和a d转换模块组成; 处理单元 ( p r o c e s s i n g u n it ) :由 处理器、 存储器、嵌入式操作系统及应用 软件组成; 通信单元 ( t r a n s c e i v e r ) ; 电源单元 ( p o w e r u n it ) ; 第三章 无线传感技术在竟争型网络机器人系统中的应用 此外根据具体应用可以 选择定位系统 ( l o c a t i o n fi n d i n g s y s te m ) 、 移动系统 ( m o b i li z e r ) 及电 源自 供电 系统( p o w e r g e n e r a t o r ) . 图3 . 1无线传感微节点结构 3 . 1 . 2 无线传感网络结构 无线传感网络以极大的灵活性连接任何有通信需求的终端设备。无线传感 微节点可以通过飞机播撒、 任意布置等方式，大量布置在感知对象内部或者附 近。 这些节点通过自 组织的方式构成无线传感网 络， 以 协作的方式感知、 采集、 处理网络覆盖区域中的信息， 通过多跳网络将信息传回s i n k 节点， s i n k 节点将 所负责区域内的数据传送到远程控制中心。网络结构见图3 .2 0 无线传感网络包括无线传感节点，s i n k 节点，传输介质和用户。 无线传感节点:大量的节点在监测区域内，以无线方式自 组网 络，将监测 信息向s i n k 节点发送，并接收来自s in k 节点的命令，改变自 身的工作状态。 s i n k 节点 ( 接收发送器) : 拥有较多的电能， 发射数据能力较强， 将无线传 感微节点上传的数据转发到传输介质上。 传输介质:i n t e rn e t 或通讯卫星。 用户:提取无线传感网络所获信息，并对无线传感网络进行控制和操控。 第三章 无线传感技术在竟争型网络机器人系统中的应用 图3 .2 无线传感网络结构图 3 . 1 . 3 无线传感网络体系结构 网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件 所应完成功能的定义和描述。由于无线传感网络有极大的灵活性，与传统固定 通信网络有很大的不同，故其体系结构与传统的通信网络有着明显的区别。 一种 无线传感器网 络体系结 构图 如图3 .3 122 1 所示， 该网 络体系结构由 分层的 网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术3 部分组成。分层的网络通 信协议结构类似于t c p / i p 协议体系结构; 传感器网络管理技术主要是对传感器 节点自 身的管理以 及用户对传感器网络的管理;在分层协议的网络管理技术的 基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术. 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 应用支撑技术 分层网络协议 图3 . 3无线传感器网络体系结构图 第二节 无线传感技术在t e l e - l i g h t s a b e r 中的应用 3 . 2 . 1 无线传感技术在机器人系统中应用的背景 无线传感网络技术和机器人技术的结合， 是双方技术特点决定的一个必然。 无线传感网络需要一个应用平台。成熟的机器人平台，尤其是移动机器人平台 正是一个绝佳的平台; 机器人有着很大的应用前景，在越来越多的领域发挥着 重要作用，也需要无线传感网络为其提供的传感信息和便捷通讯。在目 前研究 中，无线传感网络技术为机器人避障、路径跟踪等机器人学中的传统问题提供 了新的解决思路，而机器人技术也为无线传感网络的节点能量有限等问题提出 了解决方法。下面就介绍一些无线传感技术在机器人系统中的典型应用。 为了测量移动机器人的位置和速度，沈阳自 动化研究所使用了无线传感网 络技术。 该 无线传感网 络的 每个无线传感节点 上 都带有 磁力 计( m a g n e t o m e t e r ) ， 移动机器人本体安装有磁铁。当机器人通过此传感网络时，无线传感节点的磁 力计能够探测到由附近经过的机器人带来的地球磁场干扰，并将这个干扰通过 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 无线传感网络上传到一个 p c上，综合各个无线传感节点的信息并加以处理， 移动机器人的 位置和速度会不断地被探测并在p c上显示2 3 1 多机器人的任务分配问题是一个机器人领域的传统问题，无线传感网络技 术为其提供了一个新的 解决此问 题的思路。 南加州大学的机器人嵌入式系统实 验室为解决多机器人任务分配， 利用无线传感网络得到一系列任务， 每一个无 线传感节点为机器人计算出一个建议的运动方向，每个机器人综合各节点的信 息， 决定实际的运动方向。 在此任务中， 无线传感网络提供通信、 传感和计算， 而机器人根据各传感节点 信息做出 最后的 动作2 4 1 机器人学领域中，机器人探索问题由于无结构动态环境的存在，一直是很 困难的问题。 而无线传感网络以 极大的灵活性连接任何有通信需求的终端设备， 并且无线传感微节点可以 通过飞机播撤、任意布置等方式，大量布置在感知对 象内部或者附近，这些节点通过自 组织的方式构成无线传感网络。这些突出的 特点 将帮 助机器人进行环境感知和自 定位， 从而有助于 机器人的探索。 s u n g k y u n k w a n u n i v e r s i t y 的i c o n l a b s c h o o l o f i c e 设计了一 种基于传感器网 络的 智能移动 机器人控制体 系， 用于移动 机器人在传感网 络环境中的 探索2 5 1 能量是无线传感节点工作的基础，节能问题，几乎贯穿无线传感网络发展 的各个方面，能量直接决定无线传感网络的寿命。无线传感网络通常都是传感 节点将信息发往 s i n k 节点，由于传感节点的存储空间有限，它与 s i n k节点的 交互非常频繁，而 r f通信是非常耗能的，对于能量有限的传感节点来说，频 繁的r f 通信将直接影响 此无线传感网 络的 寿命。 ( a p o t e n t i a l fi e l d a p p ro a c h f o r c o ll e c ti n g d a t a fr o m s e n s o r n e t w o r k s u s i n g m o b il e r o b o t s ) 2 6 1 提出了 一 个改 进的 方 法，使用一个移动机器人对节点进行信息收集， 机器人激发传感节点的r f通 信，从而达到延长无线传感网络寿命的目的。 3 . 2 . 2 无线传感技术在t e l e - l i g h t s a b e r 中的应用 此节重点介绍在t l s 系统中无线传感网络设计与实现， 并对s i n k 节点、 无 线传感节点的数据流进行分析，给出了程序流程图。 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 首先分析中的无线传感网络的数据传输问题，简化的 t l s 无线传感模型见下图3 . 4 . 图3 .4 t l s 简单示意图 r f 4 0 1 有3 个工作模式:发射模式、接收模式和节电 模式。s i n k 节点接收 p c的命令， 并通过r f 传给节点1 或节点2 ， 此时s i n k 节点处于发射状态。 s i n k 节点为了接收节点1 或节点2的 “ 机器人被激光打中” 信息，必须由发射状态 转为接收状态。而何时转为接收状态，既能保证信息的 不丢失，又能保证客户 端对决结果显示的实时性? 经过不断的实验， 我们采用的 策略是: s i n k 节点向 节点1 或节点2 发送完 “ 激光发射”数据后， 立即转为接收状态。 节点1 和节点2 的策略是一旦被激 光打中， 立即向s i n k 节点发送此信息; 在这一时刻， s i n k 节点正处于接收状态， 节点 1 或节点2 处于发射状态，从而保证信息的实时上传. s i n k 节点由 发射状态转为接收状态后，需要保持接收状态一段时间，程序 中设置为6 0 m s , 实验效果良 好， 能够实时获得节点1 和节点2 的反馈数据。 通 过程序的不断优化，这个时间应该还能缩短。而人一秒钟之内按鼠 标很难超过 1 0次，这就保证了实验的实时性。 对于保持接收状态的时间为什么设为 6 0 m s 在介绍s i n k 节点的程序流程图时会做说明。 经过上面的分析我们可以将 s i n k 节点细化如图3 . 5 0 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 s in k 节 点 乙 激光发射命令 等待r o b o t 被激 光击中信息 图3 . 5 s i n k 节点r f 功能示意图 在图3 . 5 中， “ 激光发射命令”是从p c串口接收到的，如果2 个用户在客 户端同时发送 “ 激光发射命令” ，那么 s i n k节点就会同时收到，如何处理这两 个 “ 激光发射命令” 呢? 图3 .6 是一种解决方案: 此命令发往 m . i i 脚光 发 射 命 令 卜 纽宝左 土_ 激光发射命令1 等待r o b o t 被 窝 f t f 中信息 : - 嫩光 发 射 命 令2 辞 待i ad b o t 2 被- . 击中信息 此奋令发往 o 抽 图3 . 6 s i n k 节点用户间存在优先级方案 图3 .6由图3 .5 衍变而来， 此方案存在优先级关系， 先被处理的“ 激光发射 命令1 ”即r o b o t 总会比ro b o t 2 先发射激光打击对手，存在这样一个情况，当 两个机器人所剩生命值不多，只能再经受一枪激光的打击时，r o b o t l由于先发 射的激光，r o b o t l 就会获胜，而这明显是不公平的。 我们应寻找一种更合理的方案，使得r o b o t l 和r o b o t 2 处于平等的状态。 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 徽 光 发 射 命 令 等 待 ro b o 宜 被 激 光 击中 信息 此命 令 发 往 目 血月， 激 光 发 射 命 令 1激光 发 射 命 匆 等 待 r o b o t l 和 r o b o t 2 被 击 中 信 息 图3 . 7 s i n k 节点ro b o t t 和ro b o t 2 处于平等的方案 在图3 .7 这个方案中，r o b o t l 和r o b o t 2 处于平等的状态，当有激光发射命 令时， 与图 效率。 会同时发往r o b o t l 和r o b o t 2 ， 并等待来自r o b o t l 和r o b o t 2 的被击中信息。 3 .6 相比，s i n k节点还少了一个 “ 等待被击中信息”的等待时间，提高了 传感节点的结构如图3 . 8 0 接收s i n k _ 的激光龙 嵘 情 点发 出- 七 射命令 k 激光 : 峨 弋 月汉戈润 著自 身 被对 手 机 器人打中，将被 击中信息上传给 s i n k 节点 图3 名 传感节点的结构 传感节点首先接收s i n k 节点发出的激光发射命令， 判断此信息， 如果是发 给自己的， 则执行激光发射动作; 然后判断自 身是否被对手机器人的 激光打中， 如果被打中，立即将此信息反馈到s i n k 节点。 介 绍 了t e le - l i g h ts a b e r 中 无 线 传 感网 络 的 整 体 设 计 后 ， 继 续 分 析 在 此 网 络 中的数据流，如图3 .9 . 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 图3 .， 无线传感网 络的数据流 从图3 . 9 中可以清楚地看到， 传输f b i , f b 2 , f b 7 , f b 8 数据是串口 通讯， 传输f b 3 : f b 4 , f b 5 , f b 6 数据是r f 通讯。 有线通讯和无线通讯是有差异的， 有线通讯的传输速率较快，误码率低，正因如此，我们定义了不同的激光发射 命令和机器人被击中的反馈数据。以下数据均为1 6 进制。 f bi : 5 5 aa 0 1 f b 2 : 5 5 aa 0 2 f b3 : 5 5 aa f f 0 1 1 0 f b5 : 5 5 0 1 1 0 aa f f f b4 : 5 5 aa f f 0 2 2 0 f b6 : 5 50 2 2 0 aa f f f b7 : 5 5 f f 0 1 f b8 : 5 5 f f 0 2 从上面数据可以 看出f b i , f b 3 同样是激光发射命令， 但f b i 采取了简单 的形式，f b 3则较复杂，目的是确保无线信道传输的正确性。数据也采取了一 定的前缀或后缀， f b i 和f b 2 是p c传给s i n k 节点的激光发射数据， 它们的共 同前缀是5 5 a a ，第三个数0 1 代表数据发给节点1 的，0 2 代表发给节点2 的。 s i n k 节点若收到数据f b i ， 则向节点1 发送激光发射数据f b 3 ; 若收到数据f b 2 , 则向节点2 发送激光发射数据f b 4 , f b 3 和f b 4 有共同的前缀5 5 a a f f 。 节点 第二章 无线传感技术在竟争型网 络机器人系统中的应用 1 收到f b 3 就执行微光发射动作， 节点2 收到f b 4 也发射激光打击对手. 若被 需向 r o b o t 2的激光击中， 它需向s i n k 节点上传数据 f b 5 ; r o b o t 2 被r o b o t l r o b o t l 击中， s i n k 节点上传数据f b 6 o s i n k 节点收到f b 5 或f b 6 , 立即将发送数据f b 7 或f b s 给p c , f b 7 代表r o b o t l 被击中， f b 8 代表r o b o t 2 被击中。 p c获得f b 7 和f b s 后，就可以在客户端实时显示对决结果。 在介绍了无线传感网络在此激光对决系统中的设计后，我们来具体看看 s i n k 节点和传感节点的程序实现流程图。通过流程图， 可以 看到我们是如何实 现实时对决的。 图3 . 1 0 是s i n k 节点的程序流程图。 第二章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 图3 . 1 0 s i n k 节点程序流程图 从上面的流程图中，可以发现一个有趣的情况:当射频置为接收状态，准 备接收传感节点发回的信息时， 如果r o b o t l 和r o b o t 2 没有被对手打中，则传感 节点不会向s i n k 节点发送数据，此时，s i n k 节点需要等待 6 0 m s ;而如果有机 器人被对手击中，那么s i n k 节点可能就不需等待循环结束就可以向p c发送被 击中信息，等待的时间会更短。 第三章 无线传感技术在竟争型网络机器人系统中的应用 以传感节点 1 为例，给出节点1 的程序流程图。 图3 . 1 1 传感节点程序流程图 第三章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 从上图可以看到程序中有两个等待时间，均是 l o m s 。在最坏的情况下， r o b o t l 从接收到激光发射命令，激光打中r o b o t 2 ，到ro b o t 2 将被击中信息上传 给s i n k 节点也不过是4 0 m s ， 所以在s i n k 节点中， r f接收状态的保持时间6 0 m s 是一个保守的数字。 以上设计， 激光发射类似于手枪射击， 即发射那一瞬间激光器才发射激光。 想象一下，人用手枪射击，要想准确打到一个很小的目 标也是很有难度的，而 机器人想准确射击一个目 标依赖于机器人本体标定的精度和对决现场视频的实 时处理能力， 这些都是很有挑战性的工作，我们也一直致力于此. 在这些问 题 完全解决之前， 仍旧 采用上面介绍的s i n k 节点和传感节点的体系结构， 但是我 们让激光常态处于发射状态，便于瞄准射击。但是，这一方案有一个问 题就是 如何区分 “ 激光打击接收器” 和 “ 激光扫进接收器” 这两个状态， 前者是用户 打击对手的命令，后者是由于激光常亮而在机器人运动过程中扫进接收器的。 为解决这一问 题，我们设计了两种方法。 1 )只有发射的激光是一个脉冲时，传感节点才认为这是激光发射命 令， 而当激光扫进接收器时， 接收器只是产生一个简单的电平信号， 而不是脉冲，很容易区分开两种状态。 不管是u s e r 有意识控制机器人的运动使激光进入某个接收器， 还是由于机 器人的运动恰巧使激光扫入某个接收器，只要激光进入接收器，接收器就进入 “ 被锁定状态” ， 此时的接收器是被激光打中的， 在 “ 被锁定状态” 下，会有如 下情况发生: 情况1 :如果对手机器人发出了激光打击，此时本机器人被打中。 因为激光打击的动作是先将激光关闭 l m s ,那么在激光关闭的一刹那，接 收器会立即跳出“ 被锁定状态” ， 重新进入接收状态， 而激光打击的第二个动作 在l m s 后发生，在这一时刻，接收器再次被打中，即认为机器人被激光打中。 而从跳出“ 被锁定状态”到接收器再次被打中可以控制在l o m s 内。 情况 2 :激光只是扫过接收器，并没有激光打击动作，此时本机器人没有 第三章 无线传感技术在竞争型网 络机器人系统中的应用 被打中。 激光扫过接收器的一刹那 ( 此时即远离接收器) ， 接收器也会跳出“ 被 锁定状态” ， 接收器在 t o m s 内没有再接收到激光， 就认定本机器人没有被打中。 由于机器人运动惯性等原因，激光 l o m s内不可能回到接收器的区域内，这一 结论已得到实验的验证。 2 )利用两个无线微节点无线信道的共享性，当 无线节点收到s i n k节 点发给对手机器人的激光打击命令后，立刻查看自己是否被打中。 此方法模拟的是 “ 人听到枪声， 立刻查看自 己是否被击中气 实现这两种方法的传感节点程序流程图如下: 第二章 无线传感技术在竞争型网络机器人系统中的应用 开始 初始化射预 傲光接收器t为接收 状态， 滋光发射器常开 定义f b 3 和f b 5 射频里为接收状态 等待l o ms / /判断、 串口缓存数据 是否包含f b 3 是 发射傲光脉冲 度 光接收翻 否收到脉 否 是 等待t o ms 射频设为发射状态， 向s i n k 节点发送f b s 橄光接收 器置为 接收状态， 激光发射器常开 图3 . 1 2第一种方法的流程图 4 8 第三章 无线传感技术在竞争型网 络机器人系统中的应用 图3 . 1 3第二种方法的 程序流程图 由 上 可以 看出 ， 在t e l e - l i g h t s a b e r 实 验系 统中， 无线传感网 络充分发挥其 不受作业空间影响，能够捕捉环境信息，构建 “ 智慧空间”的特点，很好地应 用到竞争型网络机器人系统中。事实也证明，无线传感网 络的网络结构十分适 合t e l e - l i g h t s a b e r 的 作业要求. 第三章 无线传感技术在竟争型网络机器人系统中的应用 第三节 无线传感技术在iyms 各项目中的应用及知识积累 无线传感技术不仅在t e l e - l i g h t s a b e r 项目 中 得到应用， 也与机器人技术相 结合， 在i r a i s ( i n s t