[硕士论文精品]足球机器人系统中无线通讯网络和主板系统设计

摘要机器人足球是一个极富挑战性的高技术密集型竞赛项目，而足球机器人性能的优劣将直接决定着一个团队的竞技水平的高低。随着科学技术飞速进步，越来越多的更为先进的技术应用到了足球机器入比赛当中，也为足球机器人的研究与发展也提供了更多更好的选择。本文以集控式足球机器人系统研究为背景，针对现有小车机器人存在的问题进行分析和研究，设计开发新的性能更好的足球机器人主板。本文的主要工作包括以下几个方面首先，研究分析了新的足球机器人主板需求，给出了新主板的总体设计方案。通过研究和分析现有的比赛系统，针对当前足球机器人系统存在的无线通讯抗干扰能力不强、小车没有自身检测功能等不足，结合实际比赛对系统提出的功能和性能上的新需求，建立了具有双向通讯功能的足球机器人设计模型。其次，研究了足球机器人主板设计的两大关键技术问题，给出了基于ZIGBEE无线通讯技术与基于ARM7技术的主板设计。通过技术对比分析，结合足球机器人比赛对无线通讯的需要，选择了基于ZIGBEE技术的无线通讯模块，采用飞利浦公司的基于ARM7技术的微控制芯片作为控制核心，使新的足球机器人主板不仅可以更好地满足比赛的需要，而且对以后采用新的技术、实现新的功能提供了个强大的支持平台。再者，对新主板的设计实现中的关键技术问题进行了深入研究。结合现有系统，设计了新的主板的软硬件系统，对无线通讯模块进行了实验和测试，对新主板上嵌入式操作系统UCLINUX内核裁减技术进行了研究，为主板的优化设计实现奠定了基础。最后，论文通过对新设计主板的通讯模块、UCLINUX内核裁减的测试实验，验证了本文设计方案是可行的。新的主板系统将具有性能稳定可靠的无线通讯系统，可以实现机器入小车的自我测试以及状态反馈。论文阐述了需要进一步深入研究的工作。关键词ZIGBEE技术，机器人足球，双向通讯，嵌入式操作系统ABSTRACTROBOTSOCCERISACHALLENGINGCOMPETITIONITEMATHLETICLEVELOFTHETEAMDEPENDSONTHEROBOTPERFORMANCEBECAUSEOFTHERAPIDLYDEVELOPMENTOFSCIENCE，INCREASINGNEWAPPLICATIONSHAVEBEENUSEDINTHEROBOTSOCCERGAME，ANDPROVIDEMORECHOICEFORROBOTDEVELOPMENTNEROBOTCONTROLLEDBYTHECENTERCOMPUTERHASBEENSTUDIEDINTHISPAPER,THEDEFICIENCYOFTHEPRESENTSYSTEMHASBEENANALYZED，ANDNEWMAINBOARDOFROBOTHASBEENDESIGNEDTHREEASPECTSAREINCLUDEDINTHEPAPERFIRSTLY,THEREQUIREMENTOFNEWROBOTMAINBOARDHASBEENSTUDIED；THEDESIGNOFTHECOLLECTIVITYONTHENEWMAINBOARDWASDESCRIBEDCOMPETITIONSYSTEMWASINVESTIGATEDANDANALYZED，CONTRAPOSETHESHORTAGEOFTHEPRESENTROBOTSYSTEM，SUCHASTHECOMMUNICATIONSYSTEMISWEAKINANTIJAMMINGANDTHESMALLVEHICLECURRENTUSEDCANNOTEXAMININGITSELFBYAUTOMATIC，ACCORDINGTOTHENEWREQUIREMENTFORTHECOMPETITIONSYSTEM，THENEWDESIGNHASBEENPUTFORWARD，AROBOTMODELWITHFEEDBACKFUNCTIONHASBEENESTABLISHEDSECONDLY,DOUBLEKEYTECHNOLOGIESINTHEDESIGNOFTHEROBOTMAINBOARDHAVEBEENSTUDIED11IEDESIGNOFTHEMAINBOARDBASEDONZIGBEEANDARM7TECHNOLOGYHASPUTFORWARDAFTERANALYZEDANDCOMPARED，ACCORDINGTOTHEREQUIREMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONANDCONTROLINROBOTSOCCER,WIRELESSCOMMUNICATIONMODULEBASEDONZIGBEETECHNOLOGYHASBEENCHOSEKERNELOFCONTROLISTHECHIPBASEDONTHEARM7TECHNOLOGYOFPHILIPSELECTRONICSTHENEWSYSTEMCANNOTONLYCONTENTTHEREQUIREMENTOFTHEPRESENTGAME，ANDPROVIDEAPOWERFULSUPPORTINGPLATFORMFORTHEAPPLICATIONOFNEWTECHNOLOGYTHIRDLY,THEKEYTECHNOLOGYINTHENEWDESIGNOFTHEMAINBOARDHASBEENSTUDIEDREFERENCESTOTHEPRESENTSYSTEM，THENEWMAINBOARDSYSTEMHASBEENDESIGNED，ANDFUNCTIONOFCOMMUNICATIONHASBEENACHIEVED，KEMELOFUCLINUXONTHENEWSYSTEMHASBEENREDUCED，PROVIDEAGOODBASEFOROPTIMIZETHEDESIGNOFTHEMAINBOARDLASTLY，ACCORDINGTOTHETESTEXPERIMENTOFNEWCOMMUNICATIONMODULEANDREDUCTIONOFTHEUCLINUXKERNELTHESCHEMEOFTHENEWROBOTISFEASIBLETHENEWSYSTEMHASSTABLEWIRELESSCOMMUNICATIONSYSTEM，ANDREALIZESELFTESTINGANDFEEDBACKTHESTATEOFTHEROBOTMOREWORKWASEXPOUNDEDITHEENDOFTHEPAPERKEYWORDSZIGBEETECHNOLOGY,ROBOTSOCCER,DOUBLEDIRECTIONCOMMUNICATION，EMBEDDEDOPERATINGSYSTEMIL第一章绪论机器人足球比赛是以制造和训练机器人，进行足球比赛。通过这种方式来提高人工智能领域、机器人领域的研究水平。1993年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的ALANMACKWORTH教授就提出机器人足球比赛是很好的机器人和AI研究的实验平台01。同时，还有一些学者也提出了这个问题。在他们的努力下，1997年8月2329日，第一届ROBOCUP比赛及会议在日本的名古屋举行，并从1997年起，机器人世界杯足球赛每年都会举办一次。建造机器人进行足球比赛是很有挑战性的工作，激发了大家极大的研究兴趣。到1998年4月，已经有22个国家1000多名研究人员在进行此方面的研究工作嘲。机器人足球比赛这种设想为各学科的研究人员提供了一个标准的任务，在共同的研究平台上，通过比赛改进设计以获得更好的解决方案，从而有效地促进各学科的发展。足球机器人比赛以高科技对抗的形式，有效地促进了各个学科的发展，受到国内外学者越来越多的关注。足球机器人的最终目标是“开发支能战胜人类世界冠军队的机器人足球队”，更恰当的目标是“开发一支能象人一样踢球的机器人足球队”。最终目标的实现需要几十年的努力，如果不是几个世纪的话。根据现在的技术水平，是不可能在短期内完成这个目标的。然而，这个目标可以很容易的创立一系列方向正确的子目标。对任何雄心勃勃或过于雄心勃勃的计划来说，这种途径是较普遍的。在美国太空计划中，完成载人轨道飞行的MERCURY计划和GEMINI计划就是阿波罗计划的前导。足球机器人第一个要完成的子目标是“创建真实的和软件的机器人足球队，在修改过的规则下很好的踢球”。完成这个目标会毫无疑问的对工业的技术产生很大范围的影响。随着各项科学技术飞速发展，先进的技术为足球机器人的研究与发展也提供了更多更好的选择。作为最具观赏性的半自主机器人足球比赛MIROSOT5对5、11对LL，已成为国际国内比赛中参赛规模最大、最具吸引人的一类比赛。比赛所用的足球机器人系统呈现出许多新的特点。在机械结构上，维也纳技术大学的是最先进的；在视觉上，出现了基于数字摄像头的图象处理在无线通讯技术上，出现了越来越多的短距离无线通讯技术可供选择。11足球机器人系统机器人足球系统大体可分为三类一是基于微型计算机的仿真机器人足球比西北工业大学硕士学位论文第一章绪论赛系统；二是基于视觉的机器人足球系统即半自主足球机器人；三是全自主足球机器人系统。全自主机器人足球比赛的特点是每个机器人完全自治，即每个机器人必须自带各种传感器、控制器、驱动器、电源等设备。比赛中，各机器人队不允许使用全局视觉，也不允许人为的干预。它涉及到机器人控制系统的体系结构、移动机器人自定位、实时视觉、多机器人传感器融合、多机器人协作、机器人的学习等多项关键技术。全自主机器人是独立进行目标的识别、行为判断并执行的个体。与远程的计算机之间可以不需要通讯。由于全自主足球机器人结构复杂，为了尽可能的减少控制与各个执行机构的连接线，已经出现了采用无线技术进行通讯连接的全自主机器人。自主机器人足球系统中每个机器人由信息获取、通信、决策控制和驱动4个子系统组成。“。目前，在全自主机器人足球赛中具有挑战性的难题是1如何充分利用多个机器人的传感器信息以获得对环境相对完整的感知。2如何设计协作策略以提高机器人球队的整体性能，机器人之间的配合是机器人智能的一个集中体现。3如何通过学习技术来获得或发展单机器人的控球技巧甚至多个机器人的配合策略，并应用于真实的机器人系统”1。半自足球主机器人主要是采用集控方式，由上位计算机统一进行目标识别，行为判断，然后通过无线的通讯方式向下位机发送执行命令。目前半自主系统的发展相对比较成熟，在以后的研究工作中将需要对各个子系统进行优化和改善，并逐步向全自主方向靠拢。足球机器人机体的设计一直是机器人足球领域富有挑战性的课题之一，足球机器人机体的运动性能是赢得比赛胜利的一个关键因素“。足球机器人小车子系统的硬件设计主要包括车体行走机构和运动控制器两大部分。小车车体行走部分包括驱动轮、支撑轮、减速器、车体框架、直流伺服电机和电源等。左右轮驱动的车型机器人从运动学的观点看，是一种非完整约束的运动学系统，即不能实现全方向的运动。现在普遍采用传统型车轮，即具有两个自由度的车轮，这比较易于控制算法的实现“。尽管两种分类在通讯系统的应用上有所差别，但是对无线通讯的可靠性、稳定性以及抗干扰能力都具有较高的要求。机器人小车系统主要包括机械结构及运动部，CPU控制单元，通信系统等。机器人子系统按着决策系统的意图去完成一定的行为。在这个系统中，它扮演着执行机构的角色。机器人子系统涉及机器人学、机电一体化、电力拖动、自动控制技术、高效电源、数字电路、单片机技术、精密安装与测试等多方面的知识。2西北工业大学硕士学位论文第一章绪论根据MIROSOT比赛的规定，其长宽高尺寸必须均在75CM之内。在这个有限的空间内，怎样才能设计出性能优良、可控性好、性能价格比离、灵活性好的机器人，这些都是本论文所要讨沦的问题。小车研究的主要目标是不断提高小车的运动性能与控制精度。这要从硬件结构设计和软件优化两个方面来实现“。车体的机械结构及传动齿轮对整个机器人的灵活性起着不可忽视的作用。为了获取较好的机动性和灵活性，一般的用双电机分别驱动左右两轮的方式，除了分布在车体左右两侧的主动轮外，在车体的前后端各有一个支撑轮以保持行进当中车体的平衡。通信子系统关键技术是基于集中视觉的集控式足球机器人系统中，由于半自主机器人的智能水平较低，需要靠上位机的指挥完成精确快速的攻防动作转换。上位机和车型机器人之间的通信采用的是无线通信方式。无线信道由于无线电发射器之间的干扰噪声的影响不够稳定。因此，通信系统可靠性和抗干扰性的要求就交得很重要了“。通信系统的技术要求可以分为4个方面可变频，较高的通信速率，良好的抗干扰性和低误码率。为了满足上面的技术要求，一方面需要进行合理的硬件设计，另一方面要设计优良的通信协议。现有集控式足球机器人系统采用的通信模块主要有两种一种是采用英国RADIOMETRIX公司生产的无线收发模块BIM418F和BIM433F，载波频率分别为418MHZ和433MHZ；另一种是采用蓝牙技术芯片NRF401。这两种模块配合一定的外围电路都可以较好地实现通信功能O”。一般机器人小车的CPU是以单片机为核心，包括驱动，速度检测，无线接收等部分。车载CPU一般完成以下功能根据一定的协议接收上位机的指令根据速度给定和实测值并按预定控制算法得到控制量，实现PWM方式调速，完成单轮的速度闭环控制。小车上还具有无线接收装置来得到主机发送的命令。12足球机器人技术现状微控制技术和短距离无线通讯技术是机器人足球比赛中T常熏要的问题，具有稳定的控制核心以及可靠的通讯手段，机器人足球比赛才会有更好的发展。目前集控式机器人一般采用的都是80C51或者80C196芯片，虽然这些为控制其有芯片价格低，容易使用等优点，但是他们做CPU时，外设较多，系统稳定性不高，同时需要较长的采样时间，实时性不强“。在机器人足球比赛中，上位机和机器人之间是以无线方式通信的。主机的决策指令通过串行方式输出至无限发射模块，经过调制后发射出去，机器人内的无线接收模块解调出无线信号上所载的命令信息，然后传送给微处理器。在机器人3西北工业大学硕士学位论文第一章绪论足球比赛中，机器人要靠上位机的指挥来精确和快速完成行为。如果通信有误，必然造成机器人的错误动作，直接导致错失良机或者丢球。再者，比赛中机器人间的相互碰撞是再所难免的，所以对无线通信的可靠|生有很高的要求。此外，由于机器人尺寸的限制，通信装置的体积不能太大。在实际的比赛中，由于外界的照相机，手机及对方发射器的干扰作用，因此通信子系统应有较强的抗干扰能力。近年来的比赛经验表明，要想在小型组比赛中获得成功，本体设计，控制算法，电源，无线通讯是关键因素。获得好成绩的队的突出优势是机器人良好的可操纵性和带有出色的踢球器，而具有良好的控球能力和复杂策略的球队并不占优。在集控式足球机器人系统中，主控计算机需要与所有的机器人通讯，发送控制命令，并接收小车的状态信息。主控计算机最多需要与L1名机器人通讯，假设按每秒与每个机器人通讯30次，数据量为5个字节，则上位机的通讯模块收发的数据量为1650个字节。最大的比赛场地为11对11的场地44M28M，所以通讯系统应该保证最小有效通讯的距离为5M。在比赛过程中，不仪会有对方通讯系统产生的干扰，还会有其它比赛场地的通讯系统的干扰，所阱通讯系统需要具有较好的抗干扰能力，才能保证通讯的可靠性。13本文的研究工作我校作为参加多次足球机器人比赛的队伍，多次获得优异的成绩。目前我校采用的这一套机器人足球比赛系统是东北大学篼二代足球机器人，采用CYGNAL的C8051F019作为控制芯片，通砒模块采用的英国RADIOMETRIX公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM一418一F和BIM433一F，载波频率分别为418蹦Z和433MLIZ。在理想的测试环境条件下，这款小车系统的控制以及通讯性能良好。但是在实际的比赛过程中，常常会出现小车失控的状态，这不仅仅是闪为通讯干扰，还包括小车自身控制的不稳定。同时，在比赛的过程中，高速运动的比赛状态往往会计视觉系统丢失目标，即便是静止的状态下，视觉系统识别出来的物体也在震动，原因是多方面的，包括硬件、视觉算法，还有环境变动引起的光线的变化，产生识别效果上的误差。因此，我们响必要对现有的系统从硬件以及系统设计上进行改进。现有的这种结构的机器人小车困其自身的设计特点，存在着如F的一些缺陷。首先，不同频率的通讯模块之间的干扰比较大，表现为在比赛过程中机器人小车经常会发生失亭的状态。其次，采用单丁通讯方式，使机器人小车的可测试性比较差，当小车失拄的时候，无法知道机器人失控的原因，其中可能的原因包西北工业大学硕士学位论文第一章绪论括小车上的硬件故障、无线通讯的干扰等。奉文针对半自主足球机器人系统无线通讯子系统中存在的可靠性、可测试性等方面的缺陷，研究了新的足球机器人无线通讯系统的方案，论述了基于ZIGBEE和ARM技术的新的足球机器人主板系统的设计与实现，力求设计开发出新的集成性能更好的足球机器人系统。本文分析了当前系统所存在的性能和结构上的不足，经过对多种通讯技术的比较和分析，根据足球机器人比赛的需求，选择了基于ZIGBEE技术的通讯模块作为新型足球机器人主板系统的通讯模块。设计了双向通讯方式，提高了系统的可靠性，并为系统提供了很好的测试和维护手段。第二章足球机器人比赛系统的需求分析机器人足球比赛经过近十年的发展和壮大，出现了许多新的硬件和软件系统上的需求。伴随许多新的技术的出现，也为足球机器人的发展提供了新的可以依赖的技术支持。21集控式足球机器人系统机器人足球比赛作为一个科技竞技项目，对系统的性能要求比较高。这包括策略系统的运算能力，视觉系统的反应速度和图像的清晰度，通讯系统的数据传输速率和抗干扰的能力，小车系统的稳定性、灵活性以及机械性能。对机器人系统的性能要求包括两个方面，一方面是基于物理上的，另一方面是基于一些人为的限定。物理上的是指比赛场地条件，比赛的宏观环境比如，存在多个机器人小车，足球，室内，光照等；人为的限定是指比赛规则。基于这种结构化条件，对机器人小车提出了以下一些基本的性能要求。1智能水平要高要有较高的感知信息的能力，并对信息作出准确的判断和决策；2适应能力要强要有适应这种结构化条件的能力，不断地提高应付比赛场上变化情况的能力；3快速的反应能力动作要快速，敏捷；4控球能力要强要有较高的抢球，控制住球、接球、射门、和阻断能力5协调能力要高机器人足球比赛是一种团队比赛。协调能力是赢得胜利的关键因素之一；6持久作战能力要强在恶劣的比赛环境下，具有稳定的性能，枫器入要保护自己免受伤害，要节约能量以保证充沛的作戏能力。7学习能力强基于比赛场上的形势，获取知识，增长能力。总而言之，对一个机器人小车的能力要求和对人类足球队员的要求是相对的。但这种对应不应是简单的，僵化的对应，而应该重新加以整理和融合，进行再创造。只有这样，才能设计出胜过人类足球队员的机器入。所以，足球机器入系统中无线通信装置需要满足频段可选、通信可靠、体积小、有较强的抗干扰能力。集控式足球机器人系统通常可以划分为4个子系统，即视觉、决策、通信和车型机器人。本文重点对通讯子系统和小车子系统进行了研究和讨论。西北工业大学硕士学位论文第二章足球机器人比赛系统的需求分析211通讯子系统半自主足球机器人通讯系统是场上的机器人与主控计算机之间的通讯手段，是机器人接收指令的唯一手段，所以通讯系统的稳定性和抗干扰性非常重要，任何时候通讯系统的崩溃就意味着投降。机器人足球比赛的最大规模是1L对LL的比赛，也是通讯系统性能最大的载荷，不仅是通讯节点数量上的增加，更重要的是双方一共22个机器人在一起所要引起的通讯干扰。所以通讯系统要具有很好的抗干扰能力。在当前系统中，主控计算机向机器人所发送的数据帧为三个字节。如表2一L中所示。表21当前系统的数据帧格式L机器人地址I左轮速I右轮速I图像采集卡每秒采集30帧数据，从而主控计算机的策略和通讯系统向机器入发送命令也是每秒30次。那么在最大规模的H对11的比赛中，主控计算机每秒发送990个字节，即在11对LL的比赛中，通讯系统的数据传输率最低要求为7920BPS。2，1。2小车子系统机器人小车作为比赛系统的执行机构，不仅要求具有较好的机械性能，尺寸、重量等物理指标要达到要求。在运动性能的控制上，也具有较高的要求。足球机器人机体的运动性能是赢得比赛胜利的一个关键因素。在早期的比赛中，机器人速度也不过50CMS。经过十年的研究和发展，机器人在性能上有了很大的提升，机器人小车的速度已经可以达到2MS。机器人的外形也从早期75CM75CMX75CM的大方块，发展到了更加专业的造型。在最近的新加坡机器人世界杯上，已经出现了更加小巧灵活的足球机器人。比如河海大学和东北大学的足球机器人体积比其他学校的足球机器人要小，但是却有着更好的运动能力。特别是河海大学，在机器人小车的前端一改以前采用一个纵向凹槽的结构如图21所示，而改为横向的双凹槽推球装置如图22所示。这种新的推球不仅具有很好的持球功能，而且使小车在持球的时候有了左和右的区分，这是以前的持球方法所不具备的。现有的机器人小车的地址是由主板上的开关来拨号。在小车上电之后，微控制器从指定端口读取三位开关信号后，确定小车的编号。每次比赛以前都需要对小车进行编号。开始比赛的时候，都要进行检查是否存在拨号错误或者重复拨号。在比赛过程当中，如果出现小车故障，更换小车的时候，也需要进行拨号。7西北工业大学硕士学位论文第二章足球机器人比赛系统的需求分析如果可以利用通讯手段，在比赛前甚至比赛当中就可以进行设定、维护和更换小车号码，还可以给策略提供角色转换的机制。嗣图21旧式小车侧视图图22新式小车底盘仰视图在比赛过程中，当小车出现故障的时候，目前通常采用的做法首先是更换电池，依次检查各个接口是否有松动等。比赛过程中暂停的时间是有限的，在暂停的时间内检查完最多11个小车是很难完成的。只有依靠维护人员在比赛过程时对场地内的小车状态进行观察记录，将表现异常的小车记录下来，在请求暂停或比赛暂停的时候进行检修。在新的设计中加入状态反馈，可以进行用以锁定出现异常的小车，进行有目的的检修，可以有效减少维护时间，提高维护的效率。22目前系统存在的问题通讯系统的不可靠是当前系统最大的弊端。缺乏有效的系统测试功能也是目前系统有待改善的另一个不足之处。221通讯系统的不可靠性在机器人足球比赛中，发射器产生的通讯干扰时可靠性低的主要原因之一。这种干扰包括邻近频道的干扰、内部模块干扰和多路作用干扰信号等91。比赛当中，我们会看到这样的一幕比赛双方会在比赛开始之前，会为开球权和通讯发射频率选择权进行协商，一般都会努力争取选择通讯发射频率的选择权。因为大家都知道目前系统上所采用的这款RADIOMETRIX通讯模块中，BIM一433一F模块对RIM一418一F的干扰非常的明显，时常在比赛的过程中出现采用BIM一418一F模块的小车疯转的情况。这是因为这款RADIOTRIX通讯模块抗干扰性能不好引起的，并没有明确的技术保证彼此之间的抗干扰性能。222可测试性目前的实物系统只是依靠视觉系统来观察场上机器人的状态，因为缺少有效8西北工业大学硕士学位论文第二章足球机器人比赛系统的需求分析的信息反馈手段，对机器人状态不能准确掌握，不仅产生了很多维护时的困难，对簧略不能提供准确的状态信息，策略的执行和调用也不能准确地执行。在比赛的准备阶段，只是通过简单命令检查小车运动的状态，如果出现异常，通常的做法就是更换小车这种情况在比赛当中经常发生，最后常常因为一些很细微的问题而没有足够的参加比赛的小车。所以很有必要在新设计的中提供测试子系统，既方便检测小车子系统的性能，也可以在比赛的过程中为策略系统系统小车的状态作为参考信息，并且在视觉受到干扰的状况下为视觉系统提供修正参考。23问题的解决方案针对目前系统存在的问题和新的需求，我们设计了新的解决方案1通过学习研究新的短距离无线通讯技术，为足球机器人系统选择更合适的通讯技术。以采用新的短距离无线通讯技术来解决目前通讯系统不可靠、抗干扰能力不强的问题。2选用功能更强的微控制芯片，研究学习嵌入式技术，根据足球机器人的需求，选择合适的微控制芯片。新设计的系统通过双向通讯来为上位机提供小车的状态信息，实现机器人小车的自我检测功能，提高比赛系统的维护效率。24本章小结本章分析和研究了当前系统存在的不足，通过研究和分析现有的比赛系统，针对当前足球机器人系统存在的无线通讯抗干扰能力不强、小车没有自身检测功能等不足，结合实际比赛对系统提出的功能和性能上的新需求，建立了具有双向通讯功能的足球机器人设计模型。9第三章足球机器人无线通讯技术研究31主流的短距离无线通讯随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来越高，短距无线技术正在成为关注的焦点，出现越来越多的新技术和新产品。目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙BLUETOOTH，无线局域网80211WIFI和红外数据传输IRDH。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是ZIGBEE、超宽频ULTRAWIDEBAND、短距通信NFC、WIMEDIA、GPS,DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求”“。311蓝牙技术蓝牙BLUETOOTH技术是近几年出现的，广受业界关注的近距无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短题离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之闻的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的24GHZISM频段，提供1MBPS的传输速率和LOM的传输距离。蓝牙技术诞生于1994年，ERICSSON当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件问的通信。该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持。1998年，蓝牙技寨协议由ERICSSON、IBM、INTEL、NOKIA、TOSHIBA等5家公司达成一致。蓝牙协议的标准版本为802151，由蓝牙小组SIG负责开发。802151的最初标准基于蓝牙11实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版802151A基本等同于蓝牙12标准，具备一定的QOS特性，并完整保持后向兼容性。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗千扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用户1B西北工业大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模A312W_FI技术WIFIWIRELESSFIDELITY，无线高保真也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE8021LB，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。WIFI速率最高可达LIMBS。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100M左右。WIFI是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11MBS的速度接入WEB。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，WIFI的连接速度一般将只有几百KBS的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。WLAN索来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来淘机场、酒店、商场等公莛热点场所。WIFI授米可将W1FI与基予瑚0或JAVA的WEB服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。例魏垒业选择在每一层楼或每一个部门配备8021LB的接入点，俪不是采用电缆线擒蘸幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费韵资金。最初盼II夔E8021L规范是在1997年提出的，称为8021LB，主要目的是提供WLAN接入，也照目前WLAN的主要技术标准，它的工作频率也是24GHZ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共事同I频段。随着唧IFI协议新版本如802TLA和8021LG的先后推出，WIFI豹应用将越来越广泛。速度更快的8021LG使用与8021LB相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在24GHZ频段，速率达54MBS。根据最近国际消费电予产品的发展趋势判断，8021LG将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。微软摧出的桌面操作系统WINDOWSXP和嵌入式操作系统WINDOWSCE，都包含了对WIFI的支持A其中，WINDOWSCE同时还包含对WIFI的竞争对手蓝牙等其它无线通信技术的支持。由于投资8021LB的费用降低，许多厂商介入这一领域。INTEL推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。313LRDA技术红外线数据协会IRDAINFRAREDDATAASSOCIATION成立于1993年。起初，采用IRDA标准的无线设备仅能在1M范围内以1152KBS速率传输数据，很快西LM,_IK大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究发展到4MBS以及16MBS的速率。IRDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网PAN的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IRDA。IRDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IRDH的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台非多台设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IRDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。314NFG技术NFCNEARFIELDCOMMUNICATION，近距离无线传输是由PHILIPS、NOKIA和SONY主推的一种类似于RFID非接触式射频识别的短距离无线通信技术标准。和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接。在20CM距离内工作于1356MHZ频率范围。NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合弗，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、WIFI设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再昕到各种电子杂音。NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。，此外NFC还可以将其它类型无线通讯如WIFI和蓝牙“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而NFC可以创建快速安全的连接，而无需在众多接121的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。同样，构建WIFI家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC被置西JB工业大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置WIFI连结容易得多。NFC有三种应用类型1设备连接。除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个W卜FI热点即可实现。2实时预定。比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且，这些芯片无需独立的能源。3移动商务。飞利浦MIFARE技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供VISA卡等各种服务。索尼的FELICA非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。总而言之，这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则，但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、WIFI等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速。315删B技术超宽带技术UWBULTRAWIDEBAND是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为在31106GHZ频段中占用500MHZ以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射接收机实现高速数据传输，在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB技术丽构建的高速率数据收发机有着广泛的用途“。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用予室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网WPAN。UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高大于100MBS的LANS或PANS。UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网PANS。现有的无线通信方式，8021LB和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；54MBS速率的8021LA标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而UWB有可能在10M范西北工业大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究围内，支持高达110MBS的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然，UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。316ZIGBEE技术ZIGBEE这个字源自予蜜蜂群藉由跳ZIGZAG形状的舞蹈，来通知其它蜜蜂有关花粉位置等信息，以达到彼此沟通讯息的目的，故以此作为新一代无线通讯技术的命名。ZIGBEE先前也被称为“HOMERFLITE”、“RFEASYLINK“或“FIREFLY”无线电技术，目前统称为ZIGBEETML。根据ZIGBEE的技术本质，ZIGBEE具有下列的特性1省电；ZIGBEE传输速率低，使其传输数据量也相对比较少，所以讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZIGBEE处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之间的转换时间，一般睡眠启动时间只有15MS，而设备搜索时间为30MS。通过上述方式，使得ZIGBEE十分省电，透过电池则可支持ZIGBEE长达6个月到2年左右的使用时间。2可靠度高ZIGBEE的MAC层采用TALKWHENREADY的碰撞避免机制，这种机制为当有数据传送需求时则立即传送，每个发送的数据封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回复，若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，用这种方式大幅提高系统信息传输的可靠度。3高度扩充性一个ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE网络节点，其中一个是MASTER设备，其余则是SLAVE设备。若是通过NETWORKCOORDINATOR则整体网络最多可达到65535个ZIGBEE网络节点，再加上各个NETWORKCOORDINATOR可互相连接，整体ZIGBEE网络节点数目将十分可观。ZIGBEE主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之问。ZIGBEE联盟成立于2001年8月。2002年下半年，INVENSYS、MITSUBISHI、MOTOROLA以及PHILIPS半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZIGBEE联盟，以研发名为ZIGBEE的下一代无线通信标准。到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZIGBEE物理和媒体控制层技术标准的IEEE14西北工业大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究802154工作组。ZIGBEE联盟负责制定网络层以上卧议。目前，标准制订工作已完成。ZIGBEE协议比蓝牙、高速率个人区域网或8021LX无线局域网更简单实用。ZIGBEE可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用24GHZ波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZIGBEE更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250KBS，当降低到28KBS时，传输范围可扩大到134M，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZIGBEE的应用。ZIGBEE技术特点主要包括以下几个部分I数据传输速率相对低。只有LOKBS250KBS，专注于低传输应用。但对于足球机器人比赛来讲，LOOKBS的传输速率已经完全可以胜任了。2功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZIGBEE的支持者所一直引以为豪的独特优势。3成本低。因为ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入ZIGBEE开发的MOTOROLA以及PHILIPS，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预信，应用予主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。4网络容量大。每个ZIGBEE网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZIGBEE设备可以与另外254台设备相连接。5有效范围相对较小。有效覆益范围LO75M之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境，更可以满足机器人足球比赛的需要。6工作频段灵活。使用的频段分别为24GHZ,868删Z欧洲及915EZ美国，均为兔执照频段。根据ZIGBEE联盟目前的设想，ZIGBEE的目标市场主要有PC外设鼠标、键盘、游戏操控杆、消费类电子设备TV、VCR、CD、VCD、DVD等设各上的遥控装置、家庭内智能控制照明、煤气计量控制及报警等、玩具电子宠物、医护监视器和传感器、工控监视器、传感器和自动控制设备等非常广阔的领域。32焦点技术的比较足球机器人比赛的无线收发器件的数据传信率比较低，是KBPS数量级。1。基于视觉的集中式机器人足球系统中对于通讯系统最大的要求是证通讯的可靠性。谣北工业大学硕士学位论文第三章足球机器人无线通讯技术研究从表3一L可以看出，对于嵌入式设备，价格较高、协议栈相对较为复杂的WLAN8021IB是不适合的。相对于蓝牙技术，较大的级网络是在机器人足球比赛中采用ZIGBEE技术的的一个优势。蓝牙技术在微微网PICONET中最多只能有7个从设备单元，而ZIGBEE的网络最多包括有255个ZIGBEE网络结点。表3一L三种无线通讯主要指标对比属性IEEE8021IBZIGBEE蓝牙数据速率1DFBOS868MITZ20KBPS非对称连接721KBPS、915MHZ40KBPS576KBPS，对称连接24GHZ250KBPS4326KBPS通信范围室内LOOM室内LOM室内LOM，增加功率可室外300M室外75M以增加到LOOM网络节点2552557频段24GHZ868船Z915埘Z和2402GHZ一2480GHZ24GHZ相对价格高中等中等如果在蓝牙网络内支持更多的网络节点，就需要由多个微微网组成散射网SCATTERNET。散射网是由多个微微网在时间和空间上相互重叠而构成的更加复杂的网络拓扑结构”。由于散射网内的通信拓扑结构通路和节点数的不同，微微网内INTRAPICONET、网间INTERPICONET切换的顺序，有效的数据流分配即轮询算法等各种因素影响，通讯的速率、质量和可靠性就要受到影响3。ZIGBEE技术具有功耗低，成本低，网络容量大，工作频段灵活还可以工作在915MHZ、868MHZ等优点。虽然ZIGBEE的通讯速率相对比较慢，由于机器人比赛的通讯数据量每秒只有1650个字节，ZIGBEE完全可以满足系统的需求。ZIGBEE技术可以很好的支持网络功能，却占用相对较少的硬件资源。通过与其他短距离无限通讯技术的综合比较，在机器人足球这样的资源有限但对干扰比较敏感的系统中适合采用ZIGBEE技术作为无线通讯手段。33ZIGBEE技术ZIGBEE是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术，其传输距离约为数十米，使用频段为免费的24GHZ与900MHZ频段，传输速率为20K至250KBPS，网络架构具备MASTERSLAVE属性，并可达到双向通信功用。331ZIGBEE标准现状在标准规范之制订方面，主要是IEEE802154小组与ZIGBEEALLIANCE两16西北工业大学硕士学位论文弟三章足球机器人无线通讯技术研究个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者之角色与分工就如同IEEE80211小组与WIFI之关系。在IEEE802154方面，2000年12月IEEE成立了802154小组，负责制订媒体存取控制层MAC与物理层PHY规范，在2003年5月通过802154标准，802154任务小组目前则在着手制订802154B标准，此标准主要是加强802154标准，包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。802154标准规格如表32所示。表32802154标准规格频率24GHZ915姗Z868姗Z频段属性I黼ISH适用区域WORLDWIDEUS乜UROPE调制方式QPSKBPSKBPSK使用频道数16101理论传输速率250KBPS40LBPS20KBPS而在ZIGBEE联盟方面，ZIGBEE联盟是在2002年10月由HONEYWELL、MITSUBISHI、MOTOROLA、PHILIPS与INVENSYS共同成立，ZIGBEE联盟负责制订网络层、安全管理、应用界面规范，其次亦肩负互通测试，预计在2004年第四季推出第10版规范VERSION1O，截至2004年8月约有90家会员。ZIGBEE标准制定组织如图3一L所示。ZIGBEEALLIALLCEIZ娜。图31ZI邱EE标准制订组织在物理层PHYSICAL；PHY方面，802154的工作频率分为24GHZ、915MHZ和868MHZ三种，分别提供250KBPS、40K