机器人程序设计：仿人机器人竞技娱乐运动设计第6章 机器人蓝牙控制

第6章机器人蓝牙控制第6章 机器人蓝牙控制引言无线通信原理XM100蓝牙通信系统第6章机器人蓝牙控制6.1

引

言控制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给足球机器人。无线网络通信系统是机器人足球比赛系统的一个重要组成部分，选择一种最佳的无线通信方式对在“技术战争”中获得优先权、把握先机，并取得最终胜利尤为重要。机器人足球系统的通信系统本身的特点和要求如下：(1)机器人足球系统由一台主机指挥3个(本系统设计的仿人型机器人足球系统为3

VS

3)、将来的5个和11个机器人进行比赛，每个足球机器人得到的命令各不相同，因此要求通信子系统能够利用一台发射器对不同足球机器人发送不同的任务信号。第6章机器人蓝牙控制按照规则规定，为了避免互相干扰，比赛双方至少要有两种通信频率供选择，获得开球权的球队将优先选择通信频率。规则对足球机器人的尺寸也有严格的要求，因而包括通信接收功能在内的足球机器人各功能电路都必须做得紧凑，尽可能向集成化方向发展，或者易于扩展。机器人足球系统是一个快速实时系统，不断提高系统的控制速率是当今机器人足球系统的发展趋势，为保证系统以更快的速率运行，必须进一步减少通信用时，这就要求通信子系统有更高的通信频率。第6章机器人蓝牙控制(5)在机器人足球系统中，足球机器人的智能水平较低，要靠上位机的指挥完成精确快速的攻防策略转变。如果无线通信有错误，必然造成足球机器人的误动作，导致错失良机或输球，所以要求通信子系统要有非常高的可靠性。综上所述，对机器人足球系统的通信子系统的要求有五点：一对多、频率可选、结构紧凑、通信速率高和性能可靠。第6章机器人蓝牙控制6.2

无线通信原理6.2.1

RF(Radio

Frequency)无线通信原理目前在半自主机器人足球比赛(MiroSot)中，采用的是RF(射频)无线通信系统。根据MiroSot比赛规则的要求，上位机与机器人小车之间必须采用无线通信的形式。在足球机器人系统中，上位机与机器人小车之间采用单向串行通信的方式，主机的控制指令数据通过计算机的串行口送至单片机，单片机将接收的数据进行频率和格式的转换，再送给无线通信模块，经过调制后发射出去，机器人的车载通信模块接收并解调然后传送给车载微处理器(TMS320F240)，其结构如图6-1所示。第6章机器人蓝牙控制图6-1主机与机器人间通信示意图第6章机器人蓝牙控制RF通信模块采用的是专用的集成模块(Radiometrix)，如图6-2所示。这种模块集成度高，性能稳定，具有以下特点：有418

MHz和433

MHz两种可选频率。支持5

V

CMOS逻辑电平。半双工通信最大的速度可达40

kb/s。室内有效传输范围为30

m。易于与RS-232串口通信接口。第6章机器人蓝牙控制图6-2通信模块外形及引脚图第6章机器人蓝牙控制RF通信模块包含三个主要部分，下面依次进行介绍。1)发射部分就像上级对下级发出命令一样，主机发出指令给机器人，其间要经过一个通信发射板。通信发射板采用89C2051单片

机，用单向无线串行通信的方式向机器人发射指令。通信发

射板则与主机的串口相连，通信板上的RF通信模块与机器人上的RF通信模块之间数据传送采用无线通信的形式。实

际上，仅一片89C2051单片机作为中间转发器件，它接收数据时，与主机的通信波特率为19

200

b/s或38

400

b/s；而发送数据时，又将波特率改为9

600

b/s。为了进一步提高主机的串口通信速度，89C2051与主机的通信格式和它与第6章机器人蓝牙控制DSP之间的通信格式是不一样的，每个控制周期它从主机共接收8个字节的数据，而在数据形式转换后，以9个字节的形式发送出去。2)接收部分机器人上的通信模块接收数据，解调后传送给TMS320F240的串行通信接口(SCI)，从而完成了主机与机器人小车之间的数据通信。第6章机器人蓝牙控制3)通信协议为了实现一对多的通信，机器人的通信采用广播方式，所有机器人采用统一的通信频率，而发给不同机器人的命令则根据各自的标识位加以区分。每个机器人接收到的控制命令字包括三个字节，第一字节是机器人标号，第二字节和第三字节是该机器人的运行参数。对于3VS3系统来说，总的指令为10个字节，格式如图6-1所示。每个机器人都能够接收到上位机发送的任意一条指令，如果机器人检测出信号的某一个字节与自己的标识相符，则随后的命令被判断为是有效的，即是机器人要执行的命令。第6章机器人蓝牙控制6.2.2蓝牙技术蓝牙(Bluetoot表h)6技-1术通是信近协几议年格出式现的，广受业界关注的近距无线连接技术。蓝牙是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。第6章机器人蓝牙控制6.2.3蓝牙的技术特点蓝牙技术是由SIG(SpecialInterestGroup)提出的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备

或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口

(Radio

Air

Interface)。蓝牙工作在全球通用的2.4

GHz

ISM(即工业、科学、医学)频段，其数据速率为1

Mb/s。为避免某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等的干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案，以确保链路稳定。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙无线通信模块采用全双工、时分复用及跳频扩谱等通信方式，具有很强的抗衰减和抗干扰能力，跳频更快，数据包更短，使蓝牙比其他系统更稳定可靠。第6章机器人蓝牙控制6.2.4蓝牙的系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路控制(硬件)单元、链路管理(软件)单元和蓝牙软件(协议栈)单元四个功能单元组成,如图6-3所示。蓝牙技术是由SIG(Special

Interest

Group)提的一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(Radio

Air

Interface)。蓝牙工作在全球通用的2.4

GHz

ISM(即工业、科学、医学)频段，其数据速率为1

Mb/s。为避免某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等的干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案，以确保链路稳定。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙无线通信模块采用第6章机器人蓝牙控制全双工、时分复用及跳频扩谱等通信方式，具有很强的抗衰减和抗干扰能力，跳频更快，数据包更短，使蓝牙比其他系统更稳定可靠。图6-3蓝牙系统的组成第6章机器人蓝牙控制天线单元蓝牙技术的天线部分体积十分小巧、重量轻，属于微带天线。蓝牙空中接口建立在0

dBm(1

mW)的基础上，最大可达20dBm(100mW)，遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0

dBm的ISM频段的标准。链路控制(硬件)单元目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成器件：基带链路控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外还使用了3～5个单独调谐元件。基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合，采用时分双工实现全双工传输。第6章机器人蓝牙控制链路管理(软件)单元链路管理(LM)软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。LM能够发现其他远端LM并通过LMP(链路管理协议)与之通信。蓝牙软件(协议栈)单元蓝牙技术的规范接口可以直接集成到笔记本电脑或者通过PC卡或USB接口连接，或者直接集成到蜂窝电话中或通

过附加设备连接。蓝牙技术系统中的软件(协议栈)是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，它符合已经制定好的蓝牙规范，适用于集中不同商用操作系统(Windows、UNIX、Pocket

PC等)的蓝牙技术规范正在完善中。第6章机器人蓝牙控制6.2.5蓝牙的关键技术1)跳频技术跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙分组，

蓝牙的跳频速率为1600次/s；对应于时隙包，跳频速率有所降低，但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3200次/s。使用这样高的跳频速率，因而蓝牙系统具有足够高的抗干扰能

力。它采用以多级蝶形运算为核心的映射方案，与其他方案

相比，具有硬件设备简单、性能优越、便于79/23频段两种

系统的兼容以及各种状态的跳频序列使用统一的电路来实现

等特点。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，因此更稳定。第6章机器人蓝牙控制2)差错控制编码技术跳频技术虽能有效地避开某些干扰点，但当干扰落到跳

频频点上时，则会造成误码，甚至导致整个信息包的丢失。

为了保证通信的可靠性，根据对不同信息的误码率指标要求，蓝牙系统采用了三种不同的差错控制编码方案，其中两种为

前向纠错，一种为自动请求重传。信息包由报头和净荷两部

分组成，报头中包含有重要的链路数据，需要重点保护，而

净荷中则装有待传输的用户信息(语音、数据等)，不同用户信息对干扰的敏感程度不同，需要的保护程度也不同，因而

采用如下不同的差错控制编码方式：第6章机器人蓝牙控制编码速率为113的FEC：主要用于报头纠错。此方案采用简单的重复码，目的在于提高译码速度。报头中每位均重复传输3次，接收端再用大数判决法进行译码。此外，该方案也用于对HV1包格式中语音段的保护。编码速率为213的FEC：采用(15，10)缩短汉明码，可纠正在一个码字中所发生的全部单个错误，或检测出所有两个错误。此方案用于DM、FHS、HV2包的纠错，以及DV包数据段的保护。第6章机器人蓝牙控制(3)无编号ARQ方案：发送端发出一包数据后，必须在

下一个时隙收到对方正确接收的确认信号(Ack)，才能发送新的信息包，否则将不断重传，直至收到Ack或超时为止。

确认信息置于应答包的报头中，而净荷检错则由CRC来完成，报头和话音信息不受ARQ保护。此方案适用于DM、DH包格式，以及DV包格式中的数据段。第6章机器人蓝牙控制3)安全保密技术无线信号很容易被截获。为了确保通信的安全，蓝牙系统采用了以下安全保密措施：权限鉴别。通过“请求—响应”过程对用户的身份进行确认，防止非法用户访问或纂改重要的数据和文件，并对某些功能的运用进行限制。加密。采用流密码对信息进行加密，以防止窃听，保护个人隐私。改变密钥。在一次连接过程中，会话密钥随时可以改变。第6章机器人蓝牙控制6.2.6蓝牙技术与RF无线通信技术的比较目前在半自主机器人足球比赛中(MiroSot)，采用RF无

线通信技术对每个在场“球员”进行控制，每个机器人上都

装有无线接收器，接收主机发出的命令。尽管此技术已应用

多年，但仍存在一些问题，比如稳定性不好、抗干扰能力差、可选频率少(只有两种：418

Hz和433

Hz)等问题。蓝牙技术

是一种短距离无线通信技术，其产品体积小、功耗低、抗干

扰能力强、实时性及安全可靠性高，并有很好的扩展性，可

选频率多。在仿人型机器人足球系统中，蓝牙模块很容易与

仿人型机器人主控制器上的接口相连，并易于扩展。第6章机器人蓝牙控制蓝牙系统能够实现一台主机指挥多个机器人进行比赛，无论是现在的3对3，还是今后的5对5或11对11比赛，蓝牙系统都能够很好支持。蓝牙无线通信的传输距离一般为10

cm～10

m(0

dBm)，如果增加功率或是加上某些外设可达到100m(20

dBm)的传输距离，无论哪种比赛的无线通信都不会超过该距离，所以将蓝牙无线通信技术运用在目前的机器人足球比赛中是切实可行的。第6章机器人蓝牙控制6.3

XM100蓝牙通信系统6.3.1蓝牙通信系统的组成结构完整的蓝牙通信系统可以分为四个部分：计算机主机中的通信程序、蓝牙发射器、蓝牙接收器、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。通常认为通信硬件系统是由无线数据发射器和无线数

据接收器两部分组成的，如图6-4所示。主机通过串口RS-

232把机器人运动控制指令数据从蓝牙发射端发射出去,蓝牙接收端收到信号后，经解调后获得机器人运动控制指令数据。第6章机器人蓝牙控制图6-4蓝牙无线通信系统的结构第6章机器人蓝牙控制6.3.2

XM100蓝牙的系统结构及性能本章所使用的蓝牙设备是由韩国miniRobot公司开发的XM100

UART系统。XM100的硬件框图如图6-5所示。它的传输距离为10

m，频段为2.4

GHz，发射端的XM100与计算机串口间利用UART相连，而每个机器人(3VS3系统中为3个机器人)上都装有一个XM100蓝牙接收端。其中，串口RS2-32与XM100蓝牙发射端通过UART相连。UART

(UniversalAsynchronous

Receiver/Transmitter，通用异步收发器)是用控制计算机与串行设备的芯片，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和其他使用RS-232C接口的串行设备进行通信了，具体流程如图6-6所示。第6章机器人蓝牙控制作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流；将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用；在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验；在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记；处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠标也是串行设备)；可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。第6章机器人蓝牙控制图6-6蓝牙发射/接收系统图图6-5

XM100的硬件框图第6章机器人蓝牙控制主机对每个机器人下达命令的过程如下：主机发送指令到达串口，然后经由UART传达到蓝牙发射端，蓝牙发射端发射无线信号给每个接收端，当相应的接收端接到指令后传递给机器人解码控制器，转换为机器人指令，从而执行主机下达的命令。对于XM100蓝牙来说，一个发射端能够控制多个接收

端，这是通过对每个接收端蓝牙模块进行设置来实现的，最多可以设置255个不同的接收端。同时，为了避免不同球队之间的通信干扰，该蓝牙系统可以为每组发射/接收模块设置不同的组标号(Group

ID)，最多支持76组，这对于机器人足球比赛来说是十分充足的。蓝牙1对多通信示意图如图6-7所示。第6章机器人蓝牙控制图6-7蓝牙1对多通信示意图第6章机器人蓝牙控制6.3.3

XM100

UART通信协议XM100

UART发送/接收的数据包由6部分组成，如表6-2所示。表6-2

XM100蓝牙通信协议组成第6章机器人蓝牙控制其中，每个数据段说明如下：SOP：数据头，占1

Byte，在系统中内容统一为Abh。Packet

Kind：数据包类型，占1

Byte，在系统中内容统一为Dah。Group

ID：分组ID，占1

Byte，被分为一组的每个蓝牙设备的Group

ID是相同的，用于区分不同的分组，取值范围为1～76，即最多可以分成76