无线传感器网络平台设计

I 摘 要 无线传感器网络技术和多机器人技术作为当代世界科技研究的两大热点 应用领域和范围不断扩展 随着人们要求的不断提高 多机器人的智能化和自 动化需要进一步提高 而无线传感器网络则是实现智能化自动化的关键技术所 在 如何将无线传感器网络与多机器人系统结合起来成为课题开发研究的热点 和难点问题 本文将无线传感器网络与多机器人系统两个热点知识领域的结合起来 并 对其进行了全面深入的研究 进而提出了基于无线传感器网络环境下的多机器 人系统交互平台的构建方案 文章主要以多机器人系统和传感器网络信息交互 框架结构以及无线传感器网络下的系统通讯机制为研究内容 详细介绍了无线传 感器网络的实现 多机器人系统设计与协同机制以及多功能控制平台的实现等 综合传感器网络提供的相关信息 例如目标的身份 位置 运动状态等 提供 给多机器人系统 为实现无线传感器网络与多机器人系统之间的 沟通 及协调 任务的高效执行打下了坚实的基础 关键字 无线传感器网络 多机器人系统 交互平台 通讯机制 ABSTRACT The wireless sensor network and the multi robot system as the two hot spots of the world science and technology research have extensive application fields With the increasing requirements of people the multi robot intelligent and automation needs to be further improved And wireless sensor network is the key technology to realize the intelligent and automation how will the wireless sensor network and the multi robot system are combined to become a hot and difficult problem of development research Based on the combination of two hot spots of wireless sensor network and multiple robots system to conduct a comprehensive in depth research put forward the multi robot system based on wireless sensor network environment construction scheme of interactive platform Will multiple robot system and sensor network information interaction framework structure and the system communication mechanism of wireless sensor network as the main research content For the realization of the wireless sensor network WSN multiple robot system design and coordination mechanism and key technology such as the realization of the multi function control platform is introduced in detail integrated sensor network to provide relevant information such as the identity of the target position motion etc for the realization of the wireless sensor network WSN and communication between the I multi robot system and coordination of tasks to lay a solid foundation for effective implementation KEYWORDS Wireless Sensor Network Multi Robot System Interactive Platform Communication Mechanism 第一章 绪论 1 1 课题研究背景及意义 伴随计算机技术 传感器技术 控制理论 人工智能等的日益成熟和拓展 机器人技术的研究取得了令人瞩目的研究成果 机器人更智能化 更具有鲁棒 性 更稳定 更有时效 应用范围也越来越广 1 但是 由于单个机器人技术 本身的限制 在信息获取 实时处理以及运动控制等方面仍存在些许不足 当 面对某些在时间 空间 功能上呈现分布式的复杂任务时 单个机器人则难以 胜任 在生物群体环境适应性的启发下 可以将分布式人工智能 复杂系统 神经网络等领域的研究理论和方法引进到机器人领域 研究多个机器人结合成 的多机器人系统的群体智能及协调 2 协作以弥补个体功能的不足 进从而充 分发挥群体性能 提高完成任务的可能性 缩短完成任务的时间 使系统具有 较强的自适应性以及故障容错能力 拓展研究单个机器人 从而得来了多机器人系统 机器人系统包含多个相 互独立的个体机器人 具有以下特征 1 空间上分布式 许多的单个机器人能够一起在空间的不相同位置 而这 个特征是完成许多任务的重中之重 2 时间上并行 有些任务能逐渐分解成许多跟个子任务 而这些子任务又 是互相独立的 能够同时应对 这样就使得在处理这些任务时 拥有并行结构 的多机器人系统比个体机器人更具优越性能 3 系统容错能力强 在多机器人系统中允许个体机器人功能出现冗余 所 以当某个机器人功能出现问题时 可以再次分配任务以避免由该障碍引发的系 统性能下滑 4 资源的高效利用 多机器人系统中的各个机器人可充分采用 享受不同 种资源以补偿个体能力的不完美 进而扩展机器人的应用领域 由于其分布式特点 多机器人系统比但机器人系统拥有一定的优胜性能 比方 并行性 鲁棒性 柔性 3 当其面临复杂任务时 能够经由有效的任务分解以 及机器人之间的相互协作 来完善系统的整体性能 由于多机器人系统存在诸 I 多优势 所以在工业 军事 航空航天 医疗 服务行业等领域都具有良好的 应用前景 日渐引起国内外学术界的兴趣和关注 日前 国内外诸多大学以及 科研机构都开始了对多机器人系统的广泛探究 并搭建了一连串具有针对性的 多机器人系统 如 Swarm bots SuperBot M TRAN CENTIBOTS 等 如图 1 1 所示 美国国防部高级探讨计划局 DARPA 欧盟等政府机构对多机器人的 探究提供了不少资助 并且建立了许多针对多机器人系统探究的学科 如 MARTHA MARS SDR FIRE 等等 日本的一些大学也针对多机器人系统展 开了进一步的探究 上海交通大学用多种来自美国 ActiveMedia 企业的 Pioneer2 智能机器人来当做硬件载体对垃圾收集 队形控制等任务展开了研究 中国社 科院自动研究所针对所机器人系统的体系结构 学习理论 协调协作机制 数 据融合和应对 运动掌控战略等进行探究 取得了一系列成果 开发完成了多 自主移动机器人计算机仿真软件 ColonySim 同时开展了对多微小型仿生机器 鱼团体合作及多异构机器人系统编队 协调跟随与围捕问题的探究 此外 清 华大学 中国科技大学 东北大学 哈尔滨工业大学等高等院校同时开展了许 多有益的探讨工作并且获得了显著的成果 4 由上可知 多机器人系统值得深入的探讨钻研 然而多机器人协调 协作 探讨钻研是机器人研究以及发展趋势的重中之重 可是由于多机器人系统的探 究关乎到许多不同的领域和学术范围 它的成本必然要经受住相关学科及技术 发展的约束 比如控制体系的完成 感知能力等硬件上的约束 除此之外 多 机器人一些具体理论方面的故障不能有效地解决 所以所机器人系统当做可发 展探究的领域 它的理论框架和实现步骤都要逐步完满 5 与此同时 由于微机电系统 微电子技术 无线通信技术 片上系统 计 算机网络技术 信息处理和低功耗嵌入式技术等的快速崛起 而孕育出的无线 传感器网络 Wireless Sensor Network WSN 具有低消耗 低成本 分布式和自 组织的特点 引发了信息变动与获取的一场改革 6 无线传感器网络具有无所 不在的感知能力 如果同机器人系统相结合的话 可进一步提高系统的整体性 能及完成任务的效率 WSN 是由分布在监控领域内的大量低成本微型传感器节点构成的 且通过 无线通信方式而形成的一个多跳自组织网络系统 它的主要目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖范围内被感知对象的信息 并发送给控制终端 每个传感 器节点均由供电模块 电池 DC AC 能量互换器 数据采集模块 传感器 A D 转换器 数据处理和控制模块 微处理器 存储器 和通信模块 无线收发器 等 组成 7 传感器节点可以内置多个不一样类型的传感器 能够检测包含地震 电磁 温湿度 光强度 噪声 压力 土壤因素 运动物体的体积 速度以及 运动方向等周围环境中的众多物理现象 具有自组织 多跳路由 动态网络拓 I 扑 资源有限和以数据为中心的特点 20 世纪 70 年代开始对 WSN 进行探讨探究 最初主要用在军事方面 比如 冷战阶段的声音监测系统 SOSUS Sound Surveillance System 以及空中预警与 控制系统 AWACS Airborne Warning and Control System 自 1980 年 DARPA 的分布式传感器网络项目 DSN Distributed Sensor Networks 以来 国 内外许多研究机构相继展开了对 WSN 的研究工作 20 世纪 80 到 90 年代 对 传感器网络的研究主要集中于军事领域 重点在于战场上获取情报的能力 信 息的全面能力以及信息的利用能力 并且成为信息中心战思想中的主要技术 其中比较著名的系统有 用于反潜的确定性分布系统 FDS Fixed Distributed System 和高级配置系统 ADS Advanced Deployment System 美国海军研制的 协同交战能力系统 CEC Cooperative Engagement Capability 及远程战场传感器 网络系统 REMBASS Remote Battlefield Sensor System 和战术远程传感器系统 TRSS Tactical Remote Sensor System 等无人看管地面传感器网络系统 迈进 21 世纪后 伴随微芯片制造技术的发展以及无线通信技术等的发展 WSN 的 探究已经深入到多层次领域并且实现了质的飞跃 8 美国 英国 意大利 日 本等国家的众多大学和研究机构以及我国的中科院 清华大学 国防科技大学 天津大学 哈尔滨工业大学和重庆大学等都纷纷展开了对该领域基础理论和关 键技术的探究 WSN 融合了各方面多领域多学科的相关知识 在现今信息时代 越来越成 为一项新热点研究领域 它所设计到的领域包括微型电子技术 嵌入式技术 传感器技术 通讯技术 信号处理等方方面面 该项技术的研究与成熟会给现 在人们的生活带来翻天覆地的改变 它所能应用的前景相当广阔 该技术的成 熟将惠及整个人类社会 无线传感器网络研究的最终目标是通过传感器节点来获取周边环境的各种 物理信息 并实现全方位的测量和任务的执行 所以说 WSN 是一种综合系统 它综合了监控 控制 通讯的相关信息技术 他的精确定义应当是 无线传感 器和执行机构网络 WSAN Wireless Sensor and Actuator Network 虽然无线 传感器网络具有极大的潜在利用价值 但是其中一些关键的技术仍有待解决 比如大规模节点的部署 节点定位和资源管理等 7 8 随着机器人技术不断地进 步 机器人将具有更高的智能性和自主性 将机器人网络与无线传感器网络结 合起来 既可以为传感网络中的关键问题提供一种解决方案 又可以借助传感 器网络进一步提高机器人的感知能力 利用传感器网络来向多机器人系统可以 传达环境中涉及到的实时信息 这样多机器人系统的协作性和实效性将大大改 善提高 目前已涌现出一些实验平台 如 Robomote iMouse Ubirobot Cotsbots Mobile Emulab 和 Ragobot 等 进一 I 步推动了无线传感器网络技术的发展 9 总结来说 研究无线传感器技术与多机器人系统的整合问题可以从两方面 入手 方面一无线传感器网络可以向多机器人系统传达环境中涉及到的实时信 息 帮助导航设备与机器人之间的协作 另一方面机器人系统能够协助无线传 感器网络系统来实现更好的网络服务 比如机器人系统的节点控制及传感器数 据的采集等 10 1 2 国内外研究现状 现今无线网络技术的仿真与实务实验平台的技术成熟给无线网络的开发与 论证提供了完善的条件 而这种仿真实物平台的建立包括三种方法 一是利用 网络仿真平台来进行二次开发 二是无线传感器网络仿真平台 三是无线传感 器网络工程实验床 现在在国外相当多的研究机器人系统的部门都在进行着相关的研发工作 德国的一位 Falko Dressler 教授 所属与爱尔兰根大学 其也在研究相关的工作 其主要的研究方向便是混合网络 包括混合网络的 Self repair Self management Adaptive 等 美国加州大学的 SCOWR 项目则是有关移动节点无 线传感器网络的研究 其目的是为了研究在多种外界因素及节点自身的限制下 无线网络传感器技术的是否可以向外扩展 英国牛津大学的 RED WSN 项目则 整个无线网络结构包括各个节点以及可活动的机器人结构 它主要用于研究在 恶劣环境下的救援 营救 其工作原理大体为 由机器人系统分配静态节点 在利用无线传感器网络的各传感系统对环境信息进行检测分析并锁定跟踪待救 援的人 最后经分析再右由其引导施救人员前来营救 11 国内方面 对这方面的研究也比较多 东南大学的研究方向则是将无线传 感器网络技术与分布式机器人相整合 他们探索了二者的系统连接 他们的研 究包括两方面的内容 混合网络和主动网络 他们也在对混合网络的自我修复 自我管理和自适应以及自主相应方面做了很多研究 他们还成功开发了具有自 主机动功能的微型移动节点 Racemote 1 3 论文研究内容 本文的研究方向为基于无线传感器网络的多机器人交互平台如何实现无线 传感器网络与多机器人系统之间的 沟通 综合传感器网络提供的相关信息 例如目标的身份 位置 运动状态等 提供给多机器人系统 这种系统使得任 务执行的高效成为可能 综合来说 其主要包括 1 多机器人系统和传感器网络信息交互框架结构 I 无线传感器网络可提供大量实时冗余的环境信息 能够弥补机器人系统自 身感知的局限 有利于提高多机器人系统的协作性及完成任务的效率 在平台 中无线传感器网络节点是构成无线传感器网络的基础 课题中移动载体机器人 采用 STM32 处理器作为核心处理器 配以蓝牙接收模块 移动设备 电源模块 等外围电路 构成功能完整的多功能移动智能载体 该移动智能载体能够代表 用户动态地执行任务 使用移动智能设备 如手机 平板电脑等 作为传感信息采集和信息收发 的主体 并与上述多功能移动智能载体结合构成可移动的无线传感器网络节点 12 无线传感器网络节点通过移动智能设备自身所带的传感器 采集节点周围信 息 通过周围的无线网络资源将数据信息上传到网络服务器控制平台 为机器人 决策服务 2 无线传感器网络下的系统通讯机制 受限于无线传感器网络的自身因素 如其各节点的存储有限 以及网络通 讯技术的限制以及计算机系统的计算能力 其只能对近处的环境因素进行检测 与处理 因此其网络形式是无中心的 多跳的 自组织的无线网络也即无线自 组网 13 本课题将就自组网络的通信机制展开研究 以保证节点数目动态变化 时能够保证网络组织的完整性 根据文章主要内容 将其分为七章 具体组织结构如下 第一章中主要阐述了所述课题的研究背景及意义 以及国内国外相关机构 的研究成果与现状 此外还简明阐述了本课题的主要研究内容 第二章依次分析与研究了无线传感器网络系统与多机器人系统的发展前景 发展趋势等 第三章结合两个热点领域 提出了基于无线传感器网络环境下的多机器人 系统模型的建立 设计出无线传感器网络和多机器人系统的信息交互框架结构 同时 为保证每个部分之间数据通信的有效性和高效性 设计了通信协议中的 数据格式和指令格式 第四章通过对无线传感器网络中常用的 WiFi 网络性能进行分析 设计出 WiFi 网络节点的接口协议 电路原理图 节点的 PCB 图等 第五章根据无线传感器网络系统与多机器人系统研究的相关需求 提出了 基于 Android 系统进行相关的平台设计 包括移动平台 控制平台等的设计 第六章为对个平台的融合与交互的测验 判定其是否可行 第七章对无线传感器网络系统与多机器人系统研究的总结 第二章 无线传感器网络及多机器人系统概 述 I 2 1 无线传感器网络 本课题所研究之无线传感器网络 简称 WSN Wireless Sensor Networks 其包含多领域的多项技术 其结构由多种传感器系统组成 他们有的为静止的 有的为相对移动的 以多跳或自组织的方式构成 WSN 技术囊括了通信 计算 机 信息处理 传感器及网络技术等多领域的技术 14 无线传感器网络可以相互 配合 的对周边的环境信息进行相关的检测 收集与处理 然后将所收集的 环境参数传输给终端用户 2 1 1 无线传感器网络应用无线传感器网络应用 因为无线传感器网络的随意性 其可以轻松的获取大量的信息 不受时间地点 的限制 而且这种信息是安全的可靠的 因此 无线传感器网络技术在现今社 会应用相当广泛 从国计民生的环境医疗再到关系国家安全的军事领域再到抗 灾反恐等领域 尤为广泛 现今这种技术也在不断的应用于智能家居等领域 15 无线传感器网络应用的广泛性可由图 2 1 展示 可见其应用范围之广 图2 1 无线传感器网络应用领域示意图 1 环境监测 现代社会人们备受各种环境问题的影响 人们逐渐对其重视起来 而环境 监测需要处理大量的信息数据 这种数据是相当庞大的 如按传统方式按照人 工采集 不仅效率低 所采集的数据也会有相当大偏差 这种情况下 无线传 感器网络技术的优势便显现出来 由于无线传感器网络的随意性 人们可以在 户外随时设置一些传感器设备 比如研究跟踪候鸟的迁徙昆虫的生长 研究农 作物的生长变化等 此外无线传感器网络系统还可以监测大气中的环境因素 16 利用无线传感器网络 我们还可以监测空气土壤等周遭环境 对其反馈的数据 进行分析我们便可以预测各种自然灾害 如山洪暴雨等 进而降低其危害性 另外无线传感器网络技术还能应用于农业生产中 传感器可以监测土壤的各项 参数然后反馈给监测者让其做出相应的调整进而保证精耕精作 确保农作物的 健康成长 无线传感器网络还可以用于预报山洪 海啸 森林火灾等自然灾害 从而减少损失 2 医疗卫生 无线传感器网络在医学上也有众多应用领域 譬如 利用无线传感器网络 医生在病人身上安置一些传感器 这些传感器可以监测病人的各项生命体征 I 这时医生只要对其进行实时远程监控 如脉搏 血压等等 一旦发现状况异常 就可以在第一时间进行抢救 以防错过最佳治疗时间 因此 通过无线传感器 网络的应用可相应减少医护人员的负担并同时保证对病人的准确 及时治疗 3 军事防御 由于战场情况危险复杂 而且对敌方情况也不了解 因此最佳的解决办法 便是在敌方安插 眼线 用于实时监控敌情 这里变回采用到无线传感器网络 技术 这样获取的情报不仅精确还能减少不必要的危险 减少伤亡 还可以避 免被敌军发现的危险 这里我们可以利用远程飞机等装备将大量迷你型的传感 器等设备空投到敌军阵地上 然后利用这些传感器设备进行实施监控 再将这 些数据回传回己方 进而对军情实时判断 对战略战术做出相应改变 此外 在战士 枪支弹药和装备上装配识别传感器的话 就能在硝烟弥漫的战场上分 清敌我 防止误打同军 此外采用无线传感器网络还能及时判断核武器或生化 武器的存在性 并检测其位置 给己方提供位置参数 以利于及时消除可能的 危险 为军队排爆除险 最大限度地避免伤亡事故的出现 4 反恐抗灾 在美国发生骇人听闻的 911 撞机事件后 反恐无疑已经成为了每个国家相 当关心的事情 而反恐归根结底就在于对危险信息的及时收集与处理 利用无 线传感器网络 人们可以及时的对周围存在的潜在危险因素做出判断并采取必 要的措施 从而避免像 911 那样的惨案再次上演 保证大众的人生安全与财产 安全 5 交通管理 为了便于管理 美国打算开发 国家智能交通系统 17 这种系统同样是 利用无线传感器网络技术 多种传感器的引入能够有效的监管各种车辆 确保 彼此之间的安全行驶 避免交通事故的发生 同时还能给驾驶员提供实时的合 理路线 减少交通拥堵状况的发生 当在汽车上配备了各种传感器设备后 驾 驶员就能够随时查看车辆的状态 如发现不良状况驾驶员便能实时做出判断 减少交通事故的发生 另外传感器的引入还能够使驾驶员随时对车辆进行状态 的调整 使车辆保持在高效安全的状态下行驶 6 其他应用 无线传感器网络在外太空领域也有着相当广泛的应用 受制于现有的技术 一些外太空人类还不太能够抵达 因此人们完全可以利用无线传感器网络技术 对外太空进行无边界的探索 我们通过内置在太空船上的各种传感器可以对其 他星体进行实时监测 传感器将星体的数据监测并传送回地球以便于人类更好 的分析和了解外太空星体 从而为人类的着陆提供数据支持 18 现在人们热衷研究的智能家居系统其实也是基于无线传感器网络技术而搭 I 建的 通过各种传感器及数据分析网络共享技术把与我们生活息息相关的设备 联系起来 这就是现有只能家居系统的大体轮廓 经过整合人们可以高效方便 的处理生活与工作 从而为人们的生活添光添彩 2 1 2 无线传感器网络发展趋势无线传感器网络发展趋势 现在 无线传感器网络技术其实有着长足的发展 在人们的生活中应用相 当广泛 但其目前还有不少的问题 实用性较差 主要表现在以下几个方面 1 数据采集与管理 现在无线传感器网络的应用越来越广 发生于人类活动的方方面面 其处 理的数据量也在不断的增加 可是对于数量庞大的数据管理和使用能力仅限于 当前的使用模式是不行的 因此 眼前需要着重解决的便是数据的高效处理和 运行管理 人们亟待研发出新的工作方式来解决这一问题 同样这也将是无线 传感器网络技术未来发展需要解决的关键问题 2 网络内通信问题 无线传感器网络的应用需要处理信号 而信号又极易受到干扰 所以无线 传感器网络的通讯问题也是值得商榷的问题 3 成本问题 由于无线传感器网络由许的微型传感器组成 而数量的增多也必然会增加 成本 所以如何保证最低成本也是值得考究的问题 4 功耗问题 功耗问题同样也值得注意 因为实际中需要用到很多的各类传感器 好点 肯定相当厉害 怎样实现在提高网络性能及其精准度的同时 降低功耗和延长 使用寿命 将是下一步研究的问题 5 无线通讯的标准问题 另外 现行研究中对无线传感器网络的方向没有相应的标准 因此我们急 需要指定统一的标准 这样才有利于其发展 19 总的说来 无线传感器网络技术在将来有着非常美好的发展前景 但目前 它的发展遇到了各种问题 高成本 功耗大 标准不同意都会阻碍无线传感器 网络技术的发展 所以无线传感器网络要想稳步向前健康发展就必须先解决以 上所遇到的各种问题 2 2 多机器人系统发展现状及趋势 当今科技迅猛发展 生活水平不断提高 人们利用高科技产品解决复杂问 题的需求日益高涨 虽然当今机器人技术的发展突飞猛进 机器人的各方面能 I 力也在不断提高 应用领域也在不断扩展 但是对于某些复杂的任务 单个机 器人由于技术本身的限制难以胜任 这就需要多个机器人协调合作来完成任务 20 多机器人系统不是很多个单一机器人的简单相加 而性能却是每个机器人 能力的综合 此外 多机器人系统还包含各个设备的相互影响的增量 多个机 器人间其实包含着协调与合作两方面 综上所述 多机器人系统简单说来就是多个机器人通过各自间的协作来完 成某一既定目标的系统 因此多机器人系统包含着两项 相互协调与相互合作 一旦多机器人系统 它就要必须处理诸多问题 如给各机器人分配任务 让其 高效执行 同时协调各单个机器人件的合作 21 当按照某一逻辑给各个机器人 分配任务后 如何确保他们的协调一致又成了新问题 对于某些比如由紧耦合 子任务组成的复杂任务而言 协调问题更加突出 协调和合作是多机器人系统中两个既对立又息息相关的问题 前者探究的 是各个机器人在确立合作关系后索要面对的相对问题 而后者则探究的是组织 问题 目的是为了高效准确的实现功能 2 2 1 多机器人系统的应用领域多机器人系统的应用领域 多机器人系统有着很强的优势 在实际中使用范围很广 具体说来 体现 在以下几个方面 1 远距离作业 22 对于某些应用场合是要求多机器人系统能够自主完成复杂任务的 但是在 操作过程中也可以由人类进行远程操控 以弥补机器人自身能力不足的缺点 与机器人协作共同完成复杂任务 这类应用领域主要有水下种植 星球科学探 险 在火山口及煤矿等高危环境下作业等等 2 协助军事行动 现代战争中机器人发挥了越来越重要的角色 尤其是以为安全系数较低的 任务 人们更多的是派遣机器人前往 这样便降低了士兵的伤亡率 此类危险 任务主要包括放哨 跟踪 救援 排爆及装备通信设施等等 3 协助震后搜救行动 天灾过后的 48 小时是抢救生命的黄金期 必须在这个时间段内搜寻幸存者 不然 他们几乎没有存活的可能 最近几年一些地方发生的地震 严重损害了 城市环境 现有的设备及人员又无法企及 当对灾后建筑的迫害程度不太了解 时 搜救人员便不能及时高效的抢救被困幸存者 甚至有时会因为救援人或是 救灾犬的体积过大 而无法到达需要搜索的地点 23 如果能将机器人技术很好 I 的应用于这方面工作进行协助的话 会对救援行动产生深远的影响 4 自动仓库管理 现今 仓储管理人员所要处理的首要问题便是平衡成本与对客户的反馈速 度的问题 而指令拣选过程 order picking 是整个仓储配货中成本最高的 其 牵扯到工作内容和装备的投资等 如果操作人员仅仅依靠自身劳动力进行拣选 再利用码垛车或者传送带等设备运输物料的话 不但大大降低工作效率 还加 大了操作人自身的工作强度 24 如果这些过程能够实现机器人自动机那以上问 题便迎刃而解 由仓储管理系统分析处理 再由拣选设备按要求实时拣选 最 后再由专门的自动设备将物品摆放到位 这样便大大提高了整个仓储车间的效 率与治理 实现了自动仓库管理 5 智能环境 智能环境简单说来就是为了赶紧日常生活 其实际是将电脑设备与日常生 活紧密联系在一起 让最初处在人 机以外的东西彼此影响 这可以应用到智能 房间和个人助理 现今社会的很多地方比如酒店 旅馆 教室及办公区都将逐 渐的发展成为智能环境 25 在这其中 智能体将会实时优化资源的合理分配 同时它也会消除资源利 用的相关矛盾问题 此外 处于其中的所有人员都将有自己的智能体 它的目 标是为用户优化环境中的条件 6 自动建造 外太空的建造以及开发等都将是超大规模的 这对于单纯的人类是可望而 不可即的 26 未来 多异构机器人设备可以替代人类在外太空来建造这种大规 模的结构 7 教育及娱乐系统 目前一些智能化的教育系统及娱乐设备越来越受到人们的欢迎 如机器人 足球 机器人舞蹈等等 而这都要求多机器人之间的协调 8 自动化工厂 自动化对未来的工厂而言是大势所趋 如果既想减少劳动人员 缩减开支 减少工作时间有想要高效安全的完成工作 生产自动化是唯一出路 此外还需 要具有高鲁棒性 27 高效的异构多机器人系统协作 9 清除危险区域 需要清扫核废料 灾区或是扫雷时就可以让机器人代替人类去完成这些任 务 以免人类受到不必要的伤害 10 农业机器人 为了将人们从繁重的工作中解放出来 不再单调的重复同一种工作 那么 久需要农业机器人系统的参与 I 2 2 2 多机器人系统的研究趋势多机器人系统的研究趋势 历经多年的发展 对多机器人系统的研究硕果颇丰 不管是理论层面还是 实践层面 可是 多机器人系统的研究不像单机器人那样 其有多项任务还需 要解决 任务的分配 协作 多传感器数据监测 系统自适应控制 通信及障 碍描述等等 28 多机器人系统并不是简单的将好几个单机器人加在一起 关键是要各个机器人 之间的协调与合作 现在对各个机器人之间的协调与合作的研究也越来越受到 重视 现其已然成为了机器人研究中的一个分支 29 此外 在研究过程中还应 注意以下几方面 首先 应该将异质性作为多机器人系统的基本出发点 它是 研究与设计多机器人系统的一项重要特征 以此作为指导思想 进行体系结构 协同机制 通信等的设计与研究 其次 要考虑的是人类如何参与到系统中 从而有效地控制机器人机器人系统 最后 一定要将应用需求作为决定多机器 人协作理论研究方向的关键因素 多机器人覆盖技术也是机器人发展的一个重要方向 其在众多领域都有着 广泛应用 如耕种 排爆 搜救等 就现在看来 这种技术还只局限于二维空 间 障碍物也相对简单 这在实际中是无法达到的 实际环境要更加的恶劣 譬如在各种悬崖 坑坑洼洼的山地中开展搜救行动 30 因此有必要将覆盖技术 的研究方向延伸到三维地形 在实际中 对各项参数都应考虑在内 如覆盖的 面积 覆盖走过的路径 能量损耗以及时间等因素 各种因素的综合考量 也 成为了一个重要研究方向 伴随多机器人覆盖技术研究的研究深入 理论性的探讨将逐渐过渡到真实 机器人的真实实验发展 并逐步的实现多机器人覆盖技术在军事 林业 工业 农业以及牧业等方面的实际应用 多机器人探究中的一个难点就是多机器人系统的工作划分问题 它展现了 原则性决策层组织形式和运行机制 是多机器人系统的应用根本 一方面 工 作划分是否得当将对整个工作系统的结果产生非间接影响 而且与系统中各单 体机器人是否极大程度的开发本身能力有直接关系 以免使用更多的资源 再 一个层面 如果某一机器人无法胜任目前工作 实现自身价值 怎样在现有机 制基础上 经过有效对话 配合使多机器人配合达到该任务已经成为最值得考 究的问题 31 多机器人通信是多机器人系统执行工作的重点所在 如何通过多机器人系 统中各机器人间进行的有效联络得知其余机器人的目的 意向 工作及现在工 作的状况等情报 进而进行有效的协商 最后配合完成工作 是多机器人之间 协作达成某些工作的保障 机器人之间的通信一般有两个方式 显式通信和隐 I 式通信 显式通信系统通过指定的通信载体 能高效率地达成机器人和机器人 间的信息互换 可以完成那些在隐式通信下没有办法完成的高级协调协作攻略 而隐式通信系统则利用本身传感器与外来因素来获得所想要的信息进而完成它 们之间的配合 但是各机器人与机器人间并未展开信息载体的交互 在隐式通 信过程中机器人会在工作载体中记录下一些指定的信息 所以它在经过传感器 获得外来因素信息的同时 还能获得到其他机器人传留下来的一些信息 在隐 式通信过程中 各单体机器人与机器人并不具备信息的显式交换 以至于就没 有办法应用某些高质量的积极配合政策 所以使处理相对不简单工作的能力有 所下降 因此两种通信方式的结合是多机器人系统探究的一定发展动向 如果 各单体机器人之间通信的实时性 可靠性以及可重构性等问题得到解决的话 将会提高多机器人系统的性能 从而保证协作的有效性 2 3 本章小结 本章主要简介了无线传感器网络及多机器人系统的应使用层次以及发展空间 通过对无线传感器网络使用现状的详细阐述及在以后成长过程中所需要注意方 面的解析 充分体现了无线传感器网络的优势 表达了对它成长的美好憧憬 并详细给出了多机器人系统探究科技充分展现了当前世界上的多机器人系统蓬 勃的成长状态 从而为引出两大热点结合的想法奠定了基础 第三章 基于无线传感器网络的多机器人系统模型建 立 实际上 无线传感器网络与多机器人系统是非常相似的 首先 它们都是 分布式感控系统 都具有非常明显的分布式特点 传感器网络节点之间都通过 无线网进行连接通信 其次 无线传感器网络节点与多机器人系统都拥有独立 的稳压电源和操作系统 内嵌的传感器设备都能感知周边环境信息 此外 两 者均是群体协作系统 每个传感器节点及单体机器人在群体中都是自由个体 同时 无线传感器网络与多机器人系统之间又有许多不同的地方 首先是 感知领域不同 无线传感器网络是由许多分布在监测领域内的传感器节点组成 的 能够在较广范围内对环境信息进行持续不断的监测 而多机器人系统数目 则没有那么多 感知领域自然也没有那么广泛 其次就是执行能力不一样 传 感器节点拥有的只是低端的嵌入式执行设备 所以只能执行一些简单的动作 但是多机器人系统不一样 它同时装有执行机构和机械手 除了一些简单的操 作对复杂的任务也得心应手 I 事实上 无线传感器网络与多机器人两大技术的结合 就是一个 相互利 用 的过程 传感器节点一般都分布在待监测领域内 领域内各节点都能够进 行数据获取并将这些数据传输到终端系统 从而实现对待监测领域数据信息等 进行实时可靠的采集 但是这种情况下采集的都是静态的信息 如果能够与多 机器人系统相结合就可能对动态领域信息进行监测控制 但是需要对交互平台 整体进行合理的设计 3 1 系统框架模型设计 3 1 1 系统功能需求分析系统功能需求分析 大量实时冗余的环境信息可以由无线传感器网络提供 从而弥补多机器人系统 自身感知的局限 有助于提高多机器人系统的协作性以及完成任务的效率数据 的采集盲点 异于无线传感器网络的是多机器人系统具有极高的灵敏度 从而 能为无线传感器网络清除采集盲点 避免出现信息空白现象 除此之外 需要 为用户提供一个实时显示控制窗口 这样就可以满足不同用户对信息的索引 解析 整合等不同的需求 也方便了用户对整个无线传感器网络及多机器人系 统的控制 我们把它称为多能控制平台 交互系统结构图如图 3 1 所示 图 3 1 交互系统结构图 综合以上对整个系统框架的分析 我们可以知道这个以无线传感器网络环 境为基础的多机器人系统交互平台必须具备三个功能模块 具有动态组网功能 的无线传感器网络 可以感知周边环境信息并按要求完成用户命令的多机器人 系统 能够形象具体地向用户展示数据信息并能发送指令的终端 多功能控制平 台 以下为详细需求 1 无线传感器网络 由众多分布在检测范围内的能耗低 价钱低廉的微型传感器节点组成的无 线传感器网络 综合了现代网络 计算机 无线通讯及嵌入式等技术 具备高 度的技术集成与学科交叉特点 多个传感器节点间经由无线方式 以多跳自组 织形式形成一个无线传感器网络 以实现对检测领域或者检测对象的信息采集 与管理 32 在实际应用场合 可将成百上千个传感器节点随意布置在所需场地 经过一定时间 各个节点之间就可以按照某种协议建立起任意两个节点间的信 息传播路径 因而其余传感器节点的信息能够利用任何一个传感器节点来获取 所以说 我们所需要的无线传感器网络是能够用最低的成本而实现更大的灵活 性 并且任意有通信需求的终端设备都可以连接上 2 多机器人系统 I 多机器人系统需要具备在既定资源下完成一系列分布式任务的能力 33 即 使在任务繁杂和条件苛刻的情况下 多机器人系统也必须能够合理地分配所接 收到的任务 并通过有效协将其完成 这就要求多机器人系统不仅要在领域 时间和用途上具备分布性 能够利用已有的信息 数据以及功能上的冗余和互 补 来及时有效地应对突发事件 而且必须在分配任务时具有自主性和动态性 需要将整体任务分解成若干个能够被个体机器人执行的子任务 而且当任务有 所变化时能够动态地对每个子任务进行相应的调整 3 多功能控制平台 为了能够实时地对无线传感器网络和多机器人系统的整体运行状态进行监 测控制 系统需要建立具有多种功能的控制平台 近几年嵌入式技术发展迅速 各种移动智能设备 如手机 平板电脑 笔记本等 纷纷现世 并以其便携性 和突出的性能深受广大群众欢迎 所以就成了开发多功能控制平台的首选 美 国国家仪器 NI 公司研制的虚拟仪器开发平台 LabVIEW 采用图形化编辑语 言 G 编写程序 可提供诸多与传统仪器 如万用表 示波器等 外观相似的控 件 为用户创建形象化界面创造了条件 更好的显示数据以及实现对系统的控 制 此外 采用 C S 架构的控制平台程序可以更加方便地控制多机器人系统 3 1 2 系统模型结构系统模型结构设计设计 在系统模型建立过程中 数据的入网功能需要利用无线路由器才能实现 传感 器节点 多机器人系统与多功能控制平台三部分是通过无线路由器相互通信的 由此 可以勾勒出课题所涉及的以无线传感器网络为基础的多机器人系统交互 平台的整体系统框架 信息交互框架图如图 3 2 所示 根据功能节点的感知领域 可以把交互平台整体结构分为 动态感知域 静态感知域 数据服务器 无线路由器 电脑控制终端和手机控制终端几部分 1 动态感知域 所谓动态感知域就是多机器人系统依靠本身嵌入的传感器设备能够对周边 小领域内环境信息进行感知的区域 与静态感知域相比 因为多机器人系统所 具备的高度灵活性 动态感知域对环境信息的感知范围比较灵活 此外 多机 器人系统具有扩展性 可以随时装卸传感器或执行器 所以 动态感知域的感 知区域或执行任务也就变得多样性 动态化 2 静态感知域 所谓静态感知域指的是无线传感器网络的信息感知区域 静态感知域利用 分布在其内部的多功能采集节点 来完成数据的采集 传输以及处理等功能 I 主要包括 WiFi 网络节点 Zigbee 网络节点 RFID 读写设备和各种功能的传感 器 静态感知域的感知范围取决于网络节点的数量与有效感知范围 较动态感 知域而言 所感知的信息种类比较稳定单一 而且执行任务的能力也是有限的 3 数据服务器 数据服务器就是由运行在局域网中的一台或多台计算机和数据库管理系统 软件共同组成的 诸多服务可以由它提供给客户应用 例如查询 搜索 更新 多用户存取控制 管理事务 安全以及高速缓冲等等 通过数据服务器能够接 受并记录传感器数据信息 并能通过命令行的形式对这些数据信息进行组织管 理 此外 通过 C S 架构的编程方式来完成界面化的信息处理 可以使用户更 加直观地管理整个系统 4 无线路由器 无线路由器是整个体系结构的通信介质 无论静态感知域还是动态感知域 所感知的环境信息并不能直接传送到互联网 必须通过无线路由器才能成功入 网 并显示至终端用户 同样用户通过控制终端所下达的控制指令 想要通过 互联网传达到无线传感器网络节点或是多机器人系统也必须通过无线路由器将 其转换成 WiFi 信号 然后再完成用户传达的指令 5 电脑控制终端 电脑控制终端需要采用形象具体的界面来显示采集到的数据信息 并且能 够通过同一界面实现对整个系统的控制 我们采用美国国家仪器 NI 公司研 制开发的虚拟仪器开发平台 LabVIEW 来实现这一功能 6 手机控制终端 手机用户终端 是利用典型的嵌入式应用技术设计而成的 可以同时满足 移动终端用户对系统的监视与管理需求 该终端实现方式简单方便 利用 Android 系统编程方式编写手机用户 APP 程序 即可方便地完成远程监控 34 图 3 3 LabVIEW 打开界面 3 2 数据通信协议 以无线传感器网络为基础的多机器人系统交互平台中 各个节点之间的感知信 息与控制指令的发送与接收都是以信息流的方式完成的 而信息流的交互过程 是以无线自组网方式实现的 在信息传递过程中 一定要保证数据的实时性和 有效性 特别是用户的控制指令信息 必须要保证用户的指令可以及时完整地 传达到指定终端并有效完成命令的动作 因此 明确规定数据的格式是非常有 必要的 具体的数据指令格式如图 3 4 所示 图 3 4 数据指令格式示意图 I 交互平台中数据通信协议可以分为两部分 数据格式和指令格式 数据格 式是针对无线传感器网络与多机器人系统所获取传感信息的收发设计的 而指 令格式则是方便用户对系统整体下达控制命令而设计的 但不管是数据格式还 是指令格式 都是在与服务器端或客户端相连的基础上实现的 1 数据格式 数据格式是指节点之间进行信息传送的标准格式 与指令格式相同 数据格式 也要以与客户端或服务器端相连接为起点 该数据格式主要分为 节点数据 即传感器节点向服务器端传输的数据格式 服务器数据 即服务器端向传感器 节点传递 后是发送的具体数据 2 指令格式 3 3 本章小结 由于无线传感器网络与多机器人系统各具优缺点 所以人们就想通过二者 的结合以来弥补各自的不足 进而构建一个崭新的分布式传感与控制网络系统 本章通过分析以无线传感器网络环境为基础的多机器人系统交互平台具体需求 设计出由无线传感器网络 多机器人系统以及多功能控制平台三大版块组成的 系统整体框架 通过系统工作具体流程方式又可将其进行进一步分类 静态感 知域 动态感知域 数据服务器 无线路由器 电脑控制终端和手机控制终端 并且为了确保每个区域之间可以进行实时高效地通信 明确了提定了数据格式 和指令格式两种通信协议 第四章 无线传感网络的实现 在不同的应用的背景下 大量不同类型的无线传感器网络节点硬件平台应 运而生 最大的区别就是是每一个平台使用的处理器是不同的 无线通信协议 也不尽相同 并且根据不同的应用背景使用不同类型的传感器 本章通过 Zigbee 和 WiFi 两大无线传感器网络热点平台的性能进行对比分 析 设计了结构更加合理 能更好地满足多机器人系统工作需求的无线传感器 网络系统 并在此基础上 对各个网络节点进行了分析说明 I 4 1 无线传感器网络平台设计 4 1 1 无线通讯机制的选择无线通讯机制的选择 Zigbee 网络是 IEEE802 15 4 标准的个人区域网络协议 具有自组织 复杂 程度度 功率消耗少等特点 每个 Zigbee 网络节点可以支持多达 31 个传感器 和致动器设备 每个传感器和致动器装置具有 8 种不同的接口模式 能简单地 捕捉和传送模拟量与数字量 通过多个节点之间的相互沟通来完成传输数据任 务 针对多机器人系统对无线数据通信的数据高质量及覆盖区域必须广泛的要 求 Zigbee 网络的众多技术特性都能满足 该网络不仅能克服周围不同自然环 境及各种电磁问题的干扰 还具有广阔的静态感知域 使用短距离无线数据传输技术的 IEEE 802 11 标准 WiFi 网络 能让嵌入移 动设备及终端用户很容易地连接到互联网 并为用户访问提供无线