足球机器人无线通信子系统的研究.doc

1引言1.1 本课题的研究背景及意义1992年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授Alan Mac worth在他的论文On Seeing Robots 中首先提出了训练机器人进行足球赛的设想，用机器人足球比赛平台来促进人工智能和智能机器人的研究与发展；此后，每年举办一届机器人足球世界杯比赛。机器人足球比赛是近年来提出的多智能体系统开发平台，是一个典型的多智能体机器人系统。机器人足球比赛是人工智能与机器人领域极富挑战性的高技术密集项目，同时又是多智能技术的一个理想突破点，是继计算机下象棋后出现的发展人工智能的第二个里程碑。机器人足球研究促进了分布式人工智能和机器人学等领域的发展。机器人足球系统涉及的领域很多，包括：智能机器人系统、多智能体系统、实时图像处理与模式识别、实时规划和推理、机械传动与驱动控制、传感器与数据融合、无线通讯和软件技术等。在机器人足球实验平台上，各种人工智能和机器入学等领域的研究成果可以得到检验和比较，进而促进各学科的发展。机器人足球相关技术具有广阔的应用前景。最直接的应用是智能机器人和多机器人系统，例如家用机器人、军用智能化武器(如地面机器人部队、智能坦克部队、无人驾驶战斗机机群等)、工业机器人、娱乐机器人等；解决机器人足球系统中的MAS关键技术能应用在企业决策系统(如分布式集团生产决策支援系统等)、分布式智能通信网络系统(如通信网络设计、维护、经营决策系统等)和存在计算机网络空间中的信息代理(信息机器人)；机器人足球研究中涉及的“软件智能技术的一个关键部分。多智能体系统、信息代理和软件智能体被认为是未来信息产业(特别是电子商务)的主要理论基础和技术手段1。由于提供了足球比赛这样一个标准的对抗环境，同时确定了通过进球来赢得比赛这样一个需要多机器人合作实现的明确目标，机器人足球(Robot-Soccer) 比赛已经成为MAS研究的一个标准平台。机器人足球发展的宏伟目标，就是要实现自学习、自适应以及具有很强鲁棒性的实时多智能体机器人系统，力争经过大约50年左右的发展，使机器人足球队能够打败当时人类的世界冠军足球队。在机器人足球比赛中,无线通信子系统的主要任务是将主机的命令准确地传送给每一个机器人,其性能的好坏,将会影响足球机器人的运动和比赛的顺利进行,直接关系到比赛的胜负。无线通信子系统对于足球机器人研究的整个系统起着至关重要的作用。1.2 本课题在国内外的研究现状目前世界上规模较大的机器人足球比赛组织主要有两个，一个是韩国为首的FIRA，一个是日本为首的RoboCup2。FIRA(Federation of International Robotsoccer Association)是国际机器人足球联合会的简称，于1997年5月在韩国科学技术院(KAISTK orca Advanced Institute of Science and Technology)正式成立，总部设在韩国大田，现有成员包括34个国家和地区几百间学校与科研院所，主要分布在亚洲、欧洲、澳洲、北美和南美洲等地区。在FIRA成立前，由其筹备委员会在1996、1997年进行了第一、第二届世界杯比赛，这两届比赛只进行了一种类型的微型机器人足球赛(MiroSot-Micro Robot Soccer Tournament)，故分别称为MiroSot96和MiroSot97。FIRA成立以后，每年都举行FIRA世界杯比赛，而且机器人足球比赛类型不断增多，其世界杯赛于是称为FIRA98、FIRA99和FIRA2000。2001年8月，FIRA2001在中国的北京举行。2002年5月底，韩日世界杯举行前夕，在韩国举行了FIRA2002比赛。目前，FIRA组织的比赛主要有以下项目：(1)微型机器人足球赛(MiroSot)(2)仿真机器人足球赛(SimuroSot)(3)超微机器人足球赛(NaroSot)(4)自主式中型机器人足球赛(RoboSot)(5)自主式小型机器人足球(KheperaSot)(6)人形机器人足球赛(HuroSot)RoboCup的英文全称为：The Robot World Cup Initiative，它是一个专门主办机器人世界杯赛的国际协会组织，于1996年在日本正式成立。在此之前，日本的国家电子技术实验室(ETL)研制了用于机器人足球仿真比赛的软件平台，日本大坂大学和美国卡耐基梅隆大学的学者则率先开发了足球机器人。RoboCup正式成立之后，先后举行6届机器人足球世界杯赛，有数十个国家的上百支球队参赛。RoboCup在日本、欧洲和美国都有很大的影响，现已成为世界上具有较大影响的机器人足球比赛组织。RoboCup的比赛项目比较多，而且不仅仅局限于机器人足球，主要包括：(1)仿真机器人足球赛(2)小型机器人足球赛(3)中型机器人足球赛(4)四腿机器人足球赛(5)人形机器人足球赛(6)机器人灭火比赛国内从1997年开始已经有学者关注机器入足球比赛，1998年东北大学举办了机器人足球比赛研讨班，东北大学还成立了中国第一支机器人足球队。1999年4月，在哈尔滨工业大学成立了FIRA中国分会和中国机器人足球协会。同年11月在哈尔滨工业大学举行了全国首届机器人足球锦标赛，全国二十多家院校和研究所参加，4个组别的冠军分别由哈尔滨工业大学、东北大学和广东工业大学获得。此后每年均举行全国机器人足球比赛和其它类型的机器人竞赛，机器人竞赛这一高技术娱乐活动在中国影响逐渐扩大，2001年成立了中国自动化学会机器人竞赛委员会。FIRA2001于2001年8月在北京举行，国内外40多支队伍参赛，广东工业大学首次参加FIRA世界杯比赛，获得硬件组MiroSot 3Vs3季军和软件仿真组SimuroSot 5Vs5冠军。上述比赛主要集中于FIRA的项目。在RoboCup方面，1999年，RoboCup中国分会成立，同年lO月，清华大学和中国科技大学在重庆举办了中国首届RoboCup比赛。2000年中国科技大学参加了在澳大利亚墨尔本举行的第四届RoboCup世界杯足球赛，获仿真比赛第9名。2001年，清华大学夺得了RoboCup仿真比赛的冠军。从2002年开始，中国自动化学会机器人竞赛委员会统管了国内FIRA和RoboCup的比赛，决定每年举行包括上述项目的中国机器人竞赛。目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛的研究。1.3 智能机器人比赛系统涉及的关键技术机器人足球比赛系统涉及机器人视觉技术、传感器融合技术、智能控制技术、无线通信技术、知识处理技术、计算机软硬件技术、机电一体化技术、人机接口技术、人工生命与遗传学等技术，是这些关键技术的集成。由于机器人足球系统包含了多智能体系统的全部基本特点，所以它是研究多智能体系统的标准平台，解决了多智能体协作系统的关键技术，就可以把它应用到各行各业中。机器人足球比赛系统涉及的技术及其应用领域见图1.1生产过程在线检测系统人工智能应用系统抗干扰中短程通信系统各种家电产品机电一体化系统各种VR人机交互系统图1.1 机器人足球比赛系统涉及的关键技术及其应用领域多智能体协作系统Mirosot机器人足球比赛涉及的关键技术及应用领域各种工业控制专业计算机各种机器人智能控制系统计算机视觉系统无线电通信技术计算机视觉系统多智能体协 调战略技术人工生命及模糊控制技术机电一体化技术多传感器融合技术软硬件集成技术多智能体协 调战略技术VR人机接口技术1.4 本论文的主要内容与组织机构 本论文的的主要内容是机器人足球比赛系统和无线通信子系统的研究，而在足球机器人比赛系统中侧重于无线通信子系统的硬件和软件结构。第一章主要介绍了足球机器人比赛系统研究的背景及意义、目前国内外研究的现状、涉及的关键技术。第二章介绍了Mirosot机器人足球比赛系统的结构及工作原理。第三章介绍了无线通信子系统硬件结构。第四章介绍了无线通信协议和新型无线通信子系统的软件结构。最后的结束语作了简单的小节，并提出了本研究内容的更进一步提高的地方。2 MiroSot机器人足球比赛系统概述2.1 引言根据控制方式的不同，机器人足球比赛统可以分为三种类型。第一种称为基于视觉的遥控机器人系统(Remotebrainless)，该类系统中的足球机器人是无智能的遥控机器人，拥有公共的视觉感知和决策单元，所有计算全部由主机完成采用集中式控制方式，FIRA的MiroSot、NaroSot比赛属于本类型；第二种称为基于视觉的智能机器人系统(Brainonboard)，该类系统中，足球机器人的视觉感知单元共用，但是每个足球机器人具有独立的智能行为规划单元，采用分布式控制方式，RoboCup的小型组比赛属于本类型；第三种称为基于自主式机器人的机器人系统(Robot-based)，该类系统中每个足球机器人具有独立的视觉感知和行为决策单元，属于自主机器人，采用分布式控制方式，FIRA的RoboSot比赛和RoboCup的中型组比赛属于本类型。2.2 MiroSot系统简介MiroSot是国际机器人足球联合会(FIRA)的微型组机器人足球比赛，MiroSot系统是基于视觉的遥控机器人足球比赛系统，采用视觉系统集中式控制方式3。 图2.1 MiroSot比赛的现场示意图(1)比赛场地MiroSot比赛场地的选择为：3对3和5对5，球场尺寸分别为1.5ml.3m和2.2m1.8m。球场为黑色木板制作，表面粗糙不反光，四周围有挡板(高5cm)。场地上绘有中线、中圈、禁区、门区、争球定位点等白色标志。(2)参赛机器人和比赛用球MiroSot3对3和5对5参赛双方的队员分别为3个和5个大小不超过7.5cm7.5cm的足球机器人，每个足球机器人的顶盖上贴有识别色标， 比赛用球是一个橙色的高尔夫球。(3)比赛规则简介比赛组织者指定一个人担任裁判。比赛规则与一般足球比赛相似，把球踢进对方大门得分，比赛开始在中圈开球。犯规判罚有点球、任意球和门球，但没有界外球、角球和越位，双方队员在僵持10秒后判争球。上下半场各5分钟，中间休息lO分钟。下半场结束时若为平局，则有3分钟的加时赛，实行突然死亡法， 加时赛如果还不能分出胜负则进入点球大战。在比赛过程中不能人为干涉比赛， 机器人完全由计算机自主控制。2.3 MiroSot系统的结构及其工作原理MiroSot系统可以分为4个子系统：视觉子系统、决策子系统、无线通信子系统和足球机器人子系统。视觉子系统包括球场上方的摄像头、计算机主机内的图像采集卡和图像识别处理程序；决策子系统是主机中运行的决策规划和运动控制程序；无线通信子系统包括无线数据发射器和足球机器人的无线数据接收模块；足球机器人子系统包括无线数据接收模块、运动控制模块、电动机及其它配件4。图2.2是MiroSot系统的体系结构图。4个子系统构成了一个闭环控制系统。决策子系统是闭环系统的控制器，足球机器人是执行机构，视觉子系统是检测环节，无线通信子系统则是决策子系统和足球机器人之间的桥梁。视觉子系统通过摄像头获取赛场图像，经图像采集卡采集数据后，由计算机对这些数据进行识别和处理；根据处理得到的双方机器人和球的信息，决策子系统产生各个机器人的速度控制命令；无线通信子系统将速度控制命令发送给己方的各个足球机器人；足球机器人执行命令，完成作战任务。决策子系统通讯子系统图2.2 MiroSot系统体系结构足球机器人子系统视觉子系统2.3.1 视觉子系统从结构上看，视觉子系统可以分为摄像头、图像采集卡和图像识别跟踪程序三大部分；从信息转换的角度而言，视觉子系统完成了：现场图像一模拟视频一数字图像现场信息的转换过程。视觉子系统的结构和信息转换如图2.3所示。数字图像现场图像现场信息摄像头图形采集卡图2.3 视觉子系统结构和信息转换图像识别跟踪模拟视频视觉子系统的性能要求：(1)实时性首先，在比赛中机器人的运动速度很快，视觉子系统必须对机器人进行实时识别与跟踪，而且保持很高的实时性。目前，MiroSot的视觉子系统可以做到对模拟视频信号的每一帧或一场进行处理，对于NTSC制式的模拟视频信号(30帧60场)，视觉子系统的最高工作频率为60Hz。从图2.2可见，4个子系统是闭环运行，视觉子系统是该闭环的检测环节，其余3个子系统的工作频率均能达到60Hz以上，因此整个系统的工作频率基本上由视觉子系统的工作频率决定。MiroSot系统工作在60Hz时，每个控制周期时间为16ms，在此时间内4个子系统必须串行运行一遍，视觉子系统的识别和跟踪算法必须具有很高的运算速度。其次，视觉系统是基于彩色图像的。彩色图像的信息量比灰度图像大得多，由于彩色图像的RGB值分布在三维空间中，给彩色分割带来很大的困难。虽然现在有很多颜色聚类方法，但它们大多处理繁琐，运算开销巨大，不能适应系统实时性的要求，因此必须采用处理简单的算法提高系统的实时性。(2)准确性这里的准确性包括识别准确性和跟踪准确性。视觉子系统是整个系统的检测机构，决策子系统产生机器人运动控制指令的依据是视觉子系统输出的现场信息，因此现场信息必须有足够的精度，否则整个系统可能振荡或失控。由于输入图像是具有一定分辨率的图像，单个像素就存在2mm误差(以分辨率640x480为例)，所以图像处理和辨识过程必须保持较高精度以避免误差扩大。由于摄像头镜头的缺陷及其它因素，图像存在畸变，在目标定位时还应该考虑到畸变的存在并进行相应的校正。(3)适应性每次比赛的光照等应用环境均可能不同，所以系统必须具备快速初始化能力以适应比赛需要；比赛现场的光照等环境可能存在例如光照不均等缺陷，视觉子系统必须能够适应恶劣的应用环境：现场还可能出现诸如人员遮档、闪光灯之类的光色干扰，为使系统可靠工作，视觉子系统还需有较强的鲁棒性。2.3.2 决策子系统决策子系统的任务是根据视觉子系统送来的现场信息，经过决策处理，产生机器人的运动控制指令。决策子系统的输入是现场信息，输出是机器人运动控制指令，它是一个知识型专家系统。决策子系统在比赛过程中根据比赛形势选择攻防策略，确定队形和分配角色，协调多个机器人之间的配合。决策子系统最集中地反映了人工智能的相关理论的应用，决策理论的研究成果将决定机器人足球未来的发展。一般认为，决策子系统由决策模型和机器人行为控制两个部分组成。决策模型主要完成攻防态势的判断、队形确定、角色和任务分配；机器人行为控制则包括动态避碰和运动控制，如图2.4所示。图2.4 决策子系统的一般结构角色和任务分配队形确定攻防态势判断动态避碰运动控制现场信息决策模型机器人行为决策子系统机器人运动控制系统决策子系统的性能要求：(1)实时性这个要求与视觉子系统的要求类似，系统的工作频率确定后，决策子系统的工作频率与之相同。因此，决策子系统的结构和算法应当尽量简化。(2)灵活性足球比赛是一种竞争性、对抗性很强的运动，机器人足球比赛也不例外。比赛场上的形势瞬息万变，决策子系统必须能够准确判断攻防态势，灵活实现比赛阵型变化和战术配合，同时机器人的动作必须流畅。2.3.3 无线通信子系统决策子系统产生的机器人运动控制指令通过无线通信子系统发送到足球机器人上。从结构上，完整的通信系统可以分为4部分：计算机主机中的通信程序、无线数据发射器、无线数据接收器、足球机器人控制器中的通信程序，其中主机中的通信程序嵌入在决策子系统中；无线数据接收器和机器人控制器的通信程序安装在足球机器人上。通常认为无线通信子系统是由无线数据发射器和无线数据接收器两部分组成，如图2.5所示。无线数据发射器通过无线载波把机器人运动控制指令数据从天线发射出去，无线数据接收器从天线接收到信号后，经解调后获得机器人运动控制指令数据。主机中的通信程序机器人控制器的通信程序无线数据发射器无线数据 接收器无线通信子系统图2.5 无线通信子系统的结构图2.6是实际的无线通信子系统框图。决策子系统发出的机器人运动控制指令是每个机器人的左右轮速度指令。计算机主机中的通信程序通过串口以RS一232方式向无线数据发射器发送机器人左右轮速度指令，无线数据发射器将通信数据发送给足球机器人上的无线数据接收器，经解码后获得左右轮速度设定值，送入电动机控制部分驱动左右轮电动机。图2.6 无线通信子系统框图RS-232无线数据发射器无线数据接收器电动机 控制足球机 器人计算机主机2.3.4 足球机器人子系统足球机器人是机器人足球系统的执行机构，其性能的好坏在一定程度上决定了比赛的胜负。所以机器人应具备良好的稳定性和灵活性，能准确接收上位机的指令，能够快速实现前进、后退、转向、停止等基本动作，并根据指令要求完成决策子系统的意图(带球、射门、拦截等战术动作)。除了上述的技术要求之外，在设计时还必须符合MiroSot的如下规定：(1) 机器人的尺寸限制在7.5cm7.5cm7.5cm以内。(2) 机器人必须完全独立，有自己的电源和电动机驱动装置。主机与机器人之间只允许使用无线通信进行信息传送。 可以把足球机器人分为机械部分和电气部分两个部分。机械部分的主要功能是机械传动和运动驱动：电气部分的功能是接收运动控制指令数据和电气传动。足球机器入的外观如图2.7所示。图2.7足球机器人外观2.4 机器人足球比赛系统的工作模式足球机器人系统是机器人研究的一个分支，属于可行走智能机器人系统。目前研究的方向为集中控制式足球机器人系统、分布控制式足球机器人系统，以实现机器人足球运动员为发展目标，研究运动分析、自动控制、人工智能、计算机视觉及其他传感器融合、无线数字通信等学科领域。构造机器人足球系统有多种方法，在CPU、执行机构、传感器等系统硬件结构以及系统软件上如控制算法、策略等方面都不尽相同。根据决策部分在整个系统中的作用位置，可将足球机器人系统工作模式分为以下三类5：(1)基于视觉的集中控制式足球机器人系统简称“集控式足球机器人系统”，又称“基于视觉的遥控无智能足球机器人系统(Remote brainless vision-based soccer robot system)。在这种系统中，安装在球场上方的摄像头摄取赛场上的信息，送至主机图像分析与识别：由充当教练员的决策软件统一决策，形成机器人的控制命令，然后通过无线通信的方式发送给机器人，每个足球机器人只要负责根据主机发送来的运动指令实现要求的动作即可，类似于遥控小车。一般来说，每个机器人具有驱动模块、通信模块和CPU板，它能够根据接收到的主机发来的数据控制其运动方向和速度。这种模式的系统突出了计算机视觉与机电一体化问题，它是向实物机器人足球比赛迈出的第一步。此类集控式系统包括FIRA微机器人赛(MiroSot)、RoboCup的小型机器人赛等。(2)基于视觉的半自主式足球机器人系统 又称“基于视觉的有智能足球机器人系统(Brain on board visionbased soccer robotsystem)。在这种系统中，机器人除了具有速度控制、位置控制等功能以外，自身还安装有外部传感器如红外线传感器等，每个足球机器人可根据传感器信息自动进行避障运动规划，而不必由上位机决策系统实现，即具备自主避障功能。在这种系统中，主机通过视觉数据进行决策处理，然后发出命令给机器人，机器人根据命令做出相应的反应，并自行实现避障功能。在RoboCup的小型机器人赛(F180)常采用这种模式。(3)全自主式足球机器人系统又称“基于机器人的足球机器人系统(Robotbased soccer robot system)”。在这种系统中，每个机器人通过自身的传感器获取比赛信息并做出运动与合作规划，所有的计算包括视觉处理及策略决策等都由机器人自身来完成。由于是分别感知，摄像头置于机器人小车之上，视场变动，视野局限，信息不完整，给决策带来更多的困难所以感知器官便不仅局限于视觉，还常辅以红外和声纳等，进行距离和障碍检钡组。这样信息(传感器、数据)融合成为首当其冲的技术难题。机器人间的信息沟通则要靠无线通信网络。网络形式与通信协议也成为制约系统性能的关键技术。以上三种模式的系统，从智能性的角度讲，第一、二、三种模式呈递增趋势，从控制方式来看，第三种模式属于分布式控制，第一、二种属于集中控制。在分布式控制中，机器人上需要配备各种传感器、高级计算机和通信系统，对各种技术的要求都很高，开发难度大。而在集中控制方式下，每个机器人的行动完全由中央控制器控制，相对来说，对每个微型机器人要求不高，只要执行命令即可，机器人的结构相对比较简单，设计与实现更为容易一些。3 无线通信子系统硬件结构3.1 引言在机器人足球比赛中，无线通讯子系统是连接主机和机器人的纽带，根据国际足球机器人联盟的规定，机器人必须以无线方式实现与主机之间的通讯。作为MiroSot系统一个重要组成部分，无线通讯予系统性能的好坏将决定比赛能否顺利进行。如果通信过程有误差，将导致机器人动作错误，或者失去控制，甚至会直接影响比赛的顺利进行。所以通信系统的设计与研究要求有较高的可靠性。本章主要研究新型无线通讯子系统，包括发射器、接收器的硬件。并通过实验研究对基于不同通讯模块的通讯系统进行了性能比较6。3.2 无线通信子系统的工作原理足球机器人无线通讯子系统通常使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通讯模块，通常射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通讯模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通讯原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。按比赛要求建立由内嵌决策子系统的PC机作为服务器，服务器通过RS232或USB外接一个无线发送器，每一个包含无线接收器的足球机器人都是终端，多个终端和服务器就构成了点对多点的无线通讯系统。数据传给无线模块后，当需要无线传输时由模块自动对数据进行按无线数据协议进行打包发送等操作。使用无线模块就像使用其他RS232或USB通讯设备一样，只要按上述协议格式进行控制即可，对发送和接受的数据进行定义、解析，使其代表不同的意义，就可达到控制目的。决策子系统无线发射器机器人1机器人2机器人3图3.1 广播式无线通讯示意图Figure3-1 Broadcasting type wireless communication system决策子系统对足球机器人的通讯是单向的，采用广播式无线通讯方式：每个控制周期无线数据发射器发射一帧数据给本方所有机器人，各机器人根据自身编号设定读取数据帧的不同字段，获得自己的运动控制指令8。广播式无线通讯示意图如图3.1所示。3.3 无线通讯子系统的硬件部分3.3.1 通讯模块的选择目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛系统的研究，大部分单位都采用英国Radiometrix公司生产的BIM模块作为机器人小车的无线收发器。型号为BIM-418-F和BIM-433-F，载波频率分别为418MHz和433MHz，但是BIM模块价钱昂贵，无线数据传输带宽较小(最大只达40kbit/s)，体积较大(约33mm23mm10mm，占机器人小车体积的2/5)，并且相近频率干扰和模块内部干扰较严重。针对上述BIM模块的缺点，采用了基于nRF2401A的无线通信模块PTR4000来实现足球机器人无线通信子系统9。nRF2401A是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。工作于2.42.5GHz ISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401A支持多点间通信，最高传输速率达到lMbit/s。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nRF2401A没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。nRF2401A是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频芯片。nRF2401A的引脚排列如图3.2a)所示，采用5mm5mm的24引脚QFN封装，它的主要特点如下10：(1)采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要。(2)速率(IMbps)高于蓝牙、且具有高数据吞吐量，发射功率和工作频率等所有工作参数可编程设置。(3) 电源电压范围为1.93.6V，功耗很低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时只有18mA。(4)每个芯片可以通过软件设置最多40位地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，同时编程也很方便。(5)内置CRC纠检错硬件电路和协议。(6)采用DuoCeiverTM技术可使用同一天线同时接收两个不同频道的数据。(7)采用ShockBurstTM模式时，能适用极低的功率和适应多种MCU的操作。(8)可100RF检验，并且带有数据时隙和数据时钟恢复功能。目前有很多生产商生产以nRF2401A为核心芯片的通讯模块，北京讯通公司生产的PTR4000就是这样一款通讯模块。以nRF2401A为核心，配以适当的外围电路，将必要的硬件引脚为用户预留，内置2.4G天线，体积小巧(约24ram24ram)，这样做大大缩短了用户的开发周期和开发难度，而成本又不会很高，PTR4000外观图如图3.2 b)所示11： 图3.2 a）nRF2401A引脚图 b）PTR4000外观图nRF2401A使用时，首先要对其初始化，通过基带微控制器对芯片内部寄存器进行设置，设定工作频率、发射功率等参数；当nRF2401A进入正常工作状态后，通过数据传输方式，微控制器进行收发转换控制，发送/接收数据或进行状态转换。PTR4000各管脚可以直接与单片机或DSP的I/O口相连，其主要功能管脚接口如图3.3所示13。该接口由9个数字输入输出I/O组成，按照工作分为三组。CEDOUTCLK2DR1DR2pin12CSPWRDATAXLK1pin1312pin1pin3pin5 pin9pin7pin11通道2模式控制通道1PTR40000图3.3 PTR4000主要功能管脚pin61、编程配置接口该接口由CE，CS，PWR组成，控制PTR4000的四种工作模式：配置模式，发射/接收模式，待机模式和掉电模式。配置数据由DATA，CLKl输入，各种模式的控制模式见下表3一l。待机模式下功耗约为12uA，此时发射/接收电路均关闭，只有时钟电路工作；掉电模式下功耗约为luA，此时所有电路关闭，进入最省电状态；在待机和掉电模式下，PTR4000均不能接收/发射数据。模式PWMCECS工作模式（发射/接收）110配置模式101掉电模式100待机模式0XX表3-1 PTR4000主要工作模式2通道1接口通道l接口是指CLKI，DATA，DRI为三线多功能接口，在配置模式下单片机通过通道1的DATA，CLKI线配置PTR4000的工作参数；在发射模式下，单片机通过通道l的DATA，CLKl线发送数据；在接收模式下，当接收到与本机地址一致时，通过DRI输出中断指示(高电平有效)，单片机通过DATA，CLKI接收数据。3通道2接口通道2接口是指CLK2，DOUT2，DR2为三线数据接口，与通道l类似，只是DOUT2只能是输出，即通道2只能接收数据而不能发射数据。此通道在PTR4000模块中保留未使用。3.3.2 通信电路结构一、发射器的工作原理与电路图（1）单片机的选用发射器采用AT89LS52单片机实现编码和对通信模块的控制，AT89LS52是ATMEL公司推出的8位高档型单片机，采用RISC指令系统和哈佛总线结构，最高运行时钟频率可达33MHz，因而指令运行速度快。它有很宽的工作电压范围，可直接与3.3v的PTR4000模块配合使用13。（2）单片机和通信模块的接口电路单片机和通信模块的接口有两种方式：I/0直接连接方式，这种连接方式的优点是可以非常方便地与各种高低速CPU接口，并且传输的误码率很低。缺点是因为单片机和PTR4000通信的方式是模拟SPI的串行移位，所以不得不耗费大量的时间来模拟SPI的时序，导致单片机和PTR4000的数据传输速度成为整个系统传输速度的瓶颈；另一种是SPI连接方式，这种连接方式的特点是可以充分发挥SPI接口的高效以及PTR4000高速无线传输的优势，具有大的数据吞吐量。而且CPU只要将要发送的数据写入SPI的缓存，就可以执行别的其他程序，不用一直围绕发送数据去模拟时序而浪费宝贵的CPU时间。与单片机的SPI接口相比较PTR4000只有一个DATA数据端口与之对应。所以将单片机的SPI接口MOSI和MIS0接10k的电阻出来，另一端接到PTR4000的DATA端口，以实现阻抗匹配和隔离。发射器电路图如图3.4所示。图3.4发射器电路图（3）单片机与PC的接口USB(Universal Serial Bus)作为一种新型的高速数据传输总线正在锝到越来越广泛的应用，但构成USB传输基础的协议内容庞大，为开发者带来了不小的难度。还有就是越来越多的笔记本电脑淘汰了串口，在用串口进行机器人程序调试或比赛时就显得很不方便，本研究将采用一种简单实用的方法，用CP2102集成电路轻松实现USB接口和串口的转换。CP2102是silicon公司生产的高集成度USB-UART桥接电路。采用MLP-28封装，5mm5m，非常小巧，使用CP2102开发USB接口产品很方便15：(1)厂商免费提供驱动程序，驱动程序将计算机的USB口虚拟成一个COM口，计算机使用普通操作串口的命令访问虚拟COM口。(2)内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、48MHz内部晶体振荡器、1KB字节EEPROM及异步串行数据总线(UAHT)，电路无需任何外部的USB器件。(3)CP2102的UART口波特率为300kbps921.6kbp s，可以满足足球机器人通信速率的要求。由于CP2102电平能够直接被单片机识别，故不需要加电平转换电路，将CP2102的TXD、RXD引脚与单片机的RXD、TXD分别相连即可。用CP2102设计的USB转UART桥接电路如图3.5所示。图3.5 USB转UART桥接电路从图中可以看出，接口电路非常简单，主要芯片仅为一片。图中/RST引脚通过一个4.7KW电阻上拉至3.3V，以防止芯片在运行过程中出现意外复位。LED是芯片运行状态指示灯，当CP2102进入USB挂起状态时，LED熄灭。当CP2102驱动被正常加载并且运行在正常状态时，LED点亮。需要注意的是SUSPEND和在CP2102复位期间会暂时处于高电平，如果要避免这种情况，可以使用一个大的下拉电阻器(10KQ)来确保在复位期间处于低电平16。上位机(PC)通过USB发送数据，经过AT89LS52进行通信编码处理后发送到通信模块PTR4000上，最后通过发射天线输出。PC机和单片机之间的通信采用57600bit/s的串口传输率，并且单片机以相同的波特率来传输数据到PTR4000，以拓宽通信频带。发射器上电后，AT89LS52首先将PTR4000的CS引脚置为高，送数使引脚CE为低，使其处于配置状态，然后AT89LS52通过SPI口向PTR4000写入配置字和配置时序。完成对PTR4000的系统初始化之后，置CS为低，进人工作状态。当有数据需要发射时，送数使能CE置为高，通过单片机送人地址信息、数据及其同步时序17。当完成送数之后，返回完成应答信号，此时必须将CE置低一段时间，以使PTR4000将数据通过射频的方式发射出去。二、接收器的工作原理与电路接收器在每个机器人小车上，由于机器人小车的控制采用TMS320LF2407A，因而在接收端PTR4000无线通信模块就采用TMS320LF2407A来控制。通过PTR4000接收的数据直接进入DSP，由DSP进行解码，从而做出决策和发出控制信号。因而无线通信系统的接收器电路相对发射器要简单得多，只需用TMS320LF2407A代替发送电路中的单片机与PTR4000模块相连接即可。DSP与PTR4000采用SPI连接方式，PTR4000的初始化编程也就由2407A的普通I/0口来实现，只不过在初始化编程之后依旧保持PTR4000处在接收状态18。接收器电路图如图3.6所示：图3.6 接收器电路图系统上电后，PTR4000的初始化以及进入工作状态的过程与发射器相同。当要接收数据时，DSP将接收使能信号CE置高，PTR4000开始接收数据，并将接收到的数据进行地址匹配以及CRC校验19。当接收到有效数据后，将数据准备好引脚DRl置高，并通过DATA、CLKI引脚送出相应的数据及同步时钟，触发DSP中断接收数据。此外，在本系统中增加了跳频拨码开关，通过读入单片机和DSP的I/O口即可由软件跳转到相应频道，以适应比赛时更换频率的需要，同时为提高系统抗干扰能力，在接收和发射电路中均增加了电感、电容等元件，以起到隔离的作用；同时使用干电池供电以避免开关电源产生的干扰，从而进一步提高了系统的抗干扰能力。4 无线通信协议和新型无线通信子系统的软件结构4.1 无线通信数据传送方式及通信协议PTR4000可以使用全双工模式，因此，机器人不但可以接收主机发出的命令，而且可以向主机发出信息，甚至可以实现机器人之间的通讯。但是当信息量过大时，有可能发生通讯死锁，所以应考虑通讯协议的进一步研究 。为确保通讯的顺畅，目前只允许主机向机器人发送命令，而禁止其他形式的通讯。为便于进行数据接收和处理，常采用数据包的通信方式。将传输的数据集中在一个数据包中，便于进行数据接收和处理20。无线通信容易受到噪声的影响，因此通信协议应该首先能够区分噪声和有效数据，实验表明OxFF后跟OxAA在噪声中不容易出现，所以在数据包前面加开始字节OxFF后跟OxAA表示有效数据开始传送，而在接收协议中规定只接收以OxFF后跟OxAA开始的数据包；另外由于在发送时第一个字节的数据容易丢失，所以发送协议开始应该以一个以上任意内容的字节开头，本系统仍使用OxFFOxAA；上位机发送给每个机器人小车的控制命令包含3个字节，分别代表每个机器人的标识(Ni)、左轮速度(Li)和右轮速度(Ri)，分别为1个字节。采取校验和方式，占用1个字节21。在机器人足球比赛中，最大型的硬件组比赛是FIRA MTROSOT ll VS 11比赛，系统中控制命令字应该包括本方11个机器人的左右轮速度。数据格式如表4-1所示。表4-1 通信协议数据格式字段1字段2字段3起始引导字节机器人标识及左右轮速检验字节OxFFOxAA OxFFOxAAN1 L1 R1 N2 L2 R2N11 L11 R11检验和每个字节的数据由8位组成，对于表示速度的字节当中，最高位表示机器人车轮运动的方向，低7位表示车轮运动速度的大小。上位机一次性将所有机器人的控制命令打包发送，每个小车都能接收上个字节的数据有效，小车执行该命令。由于无线通讯子系统采用的波特率是57.6kbps，当需要对11个机器人进行通讯时，需要发送4+1l3+1=38个字节，由于串口通讯采用有一位起始位和一位停止位的通讯方式，这样每个字节实际相当于lO位，这样从通讯开始到最后一个机器人接收完左右轮速耗时3810/57600m6=6ms，这己经小于整个足球机器人系统的控制周期16.6ms，这样的延时是系统可以接受的22。4.2 新型无线通信子系统的软件研究通讯子系统软件研究主要包括对PTR4000的初始化和数据的发送与接收以及软件延时程序的编写。(1)PTR4000初始化配置要使PTR4000上电后正常工作，必须对其进行初始化配置。PTR4000具有直接模式(Direct Mode)和突发模式(ShockBurstTM)两种工作模式。ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用低速微处理器也能进行高速射频发射)：数据在空中停留时问短，抗干扰性高。PTR4000的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。因此实际应用中我们采用了ShockBurstTM模式23。在ShockBurstTM收发模式下，PTR4000自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码；当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。配置字是通过CLKI和DATA引脚写入PTR4000寄存器的，注意此时PTR4000应该工作在配置模式，见表4-l。配置PTR4000工作在ShockBurstTM模式需要写入15个字节(120bits)的配置字，分别为ShockBurstTM模式协议配置字和PTR4000通用配置。ShockBurstTM模式协议配置字主要包括设置通道1，通道2数据包的长度、接收端地址、地址长度设置及是否采用CRC校验和CRC校验字长。通用配置字主要是对PTR4000射频工作模式的基本设置，如射频速率(250kbps或1Mbps)，射频频道选择(共125个频道)和发送或接收选择。射频频道的选择是通过RF-CH#字段来设置完成的，其计算公式24如下：ChannelRF=2400MHz+RFCH#x1.OMHz (4.1)通过设置RF-CH#可以选择PTR4000射频工作在2400MHz和2524MHz之问。(2)PTR4000在ShockBurstTM模式下的发送发射器中的单片机接收到上位机的通讯指令后，将接收到的数据按照通讯协议打包，然后通过对CLKl引脚和DATA引脚编程按照数据手册上的时序图将数据按位写入PTR4000并进行发送。(3)PTR4000在ShockBurstTM模式下的接收接收端的PTR4000在收到与本机地址相同的数据包并经过硬件CRC校验无误后将DRl数据就绪引脚置为高电平，由于本研究将此引脚连接到了DSP的XINT2中断引脚，因此DRl的上升沿将导致DSP转入执行中断服务程序，通过对CLKI和DATA引脚编程以数据手册提供的时序读取接收数据。(4)软件延时程序在以上对PTR4000进行配置、发送和接收时，数据或时钟在I/O引脚上需要保持一定时间才能保证正确的写入和读取，因此需要编写相应的延时程字25。例如：void delay(void) unsigned int d11；for(dlI=0：dllOxffff；d11+) dll=d11：在本系统中无线发射器CPU采用AT89LS52单片机，单片机它既要接收来自上位计算机的数据，又要将从计算机接收到的数据通过PTR4000模块以广播形式发送给各个足球机器人。无线发射器单片机程序流程见图4.6和图4.7所示26。足球机器人的接收程序则由机器人上的TMS320LF2407A执行，每个机器人根据各自设定的编号，从接收缓冲区取出相应左右轮速度值。机器人小车的接收软件流程如图4.8所示。否否是是初始化寄存器变量开始开中断设置波特率串口工作方式等待中断启动定时器串行口中断接收上位机数据并保存每帧数据是否接受完从TXD发送每帧数据开中断对数据封装并编码中断返回程序入口DSP初始化出现接收中断？PTR4000初始化通过SPI接收数据关闭中断接收是否完成开中断否图4.6 AT89LS52主程序图4.7发送器中断服务程序图4.8接收器程序流程图4.3 实验及结果分析为了测试新型无线通信子系统的效果而做了实验，分别用改进后的基于PTR4000模块组成的通信系统和基于BIM模块的旧式比赛系统做了对比测试，与采用BIM433/418模块的通讯子系统相比，采用PTR4000可以为系统带来如下的优点32：(1)通讯速度明显提高。工作在ShockBurstTM模式下，可以将模块的通讯速率设置为lMbps，经过实验测试给11个机器人小车发送数据(计算机以57.6kbps波特率与发射器通信)，耗时约为7.2ms，而相同情况下采用BIM433/418模块耗时约为118ms，可见系统延时缩短了约40。(2)系统稳定性提高。采用PTR4000后的通讯系统中，模块的频率可以通过软件设置，并且有多达125个频段，大大降低了更改通讯频率的复杂度和频度，减少了不稳定因素。(3)收到错误指令的几率几乎为0。由于nRF2401A内置了硬件CRC校验，使得系统几乎不可能收到错误的指令数据。在对比测试中，从发射器发送相同次数的数据(400次)，记录机器人接收到数据正确(通信成功)和错误(通信失败)的次数，实验结果如表4-2所示。 表4-2 无线通信子系统的测试数据机器人编号左轮速度右轮速度通信成功次数通信失败次数有效通信距离旧式比赛系统测试112030399111.7m旧式比赛系统测试235070397316.9m旧式比赛系统测试3580110394625.5m改后比赛系统测试112030400010.8m改后比赛系统测试2350704