未知环境中多机器人通信技术研究

本科毕业设计（论文）

题目未知环境中多机器人

通信技术研究

姓名杜帅锋

专业通信工程

学号201251004

指导教师邵杰

郑州科技学院信息工程学院

二〇一六年六月

目录

摘要 ............................................................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................................................... I I 前言 .............................................................................................................................................. IV 1 多机器人通信系统.. (1)

1.1 目前主要的通信方式系统 (1)

1.1.1 国外通信方式 (1)

1.1.2 国内通信方式 (1)

1.2 多移动机器人通信方式 (2)

1.2.1 显性通信 (3)

1.2.2隐性通信 (3)

1.3 多机器人通信拓扑结构研究 (4)

1.4 多机器人通信协议研究 (5)

1.4.1MAC子层协议 (5)

1.4.2应用层传输协议 (5)

2 多机器人通信模式研究 (5)

2.1基于CS模式的多机器人通信 (5)

2.1.1CS通信模式的拓扑结构及其一致性特性 (5)

2.1.2基于VC的CS网络通信程序设计 (7)

2.1.3实验与结论 (9)

2.2基于ZigBee的多机器人通信 (9)

2.2.1ZigBee简介 (9)

2.2.2ZigBee优势 (10)

2.2.3基于ZigBee机器人通信系统的设计 (10)

2.2.4通信模块ZigBee节点的硬件设计 (11)

2.2.5ZigBee节点的软件设计 (12)

2.2.6上层协议的设计 (13)

2.2.7本章小结 (13)

2.3基于云计算WIFI的多机器人通信 (14)

2.3.1云计算 (14)

2.3.2云机器人系统 (14)

2.3.3WIFI系统 (15)

2.3.4基于云计算机器人WIFI控制链路 (15)

2.3.5本章小结 (16)

3多机器人通信展望与发展瓶颈 (16)

3.1多机器人通信发展瓶颈 (16)

3.1.1通信约束问题 (16)

3.1.2通信质量问题 (16)

3.1.3基于多移动机器人通信的应用研究 (17)

3.1.4 选择有线通信还是无线通信 (17)

3.1.5本章小结 (18)

3.2多机器人系统未来主要研究方向 (18)

3.2.1 高度自动化的命令接口 (18)

3.2.2 机器人整体模型 (18)

3.2.3 机器人社会学 (18)

3.2.4 机器人群体活动的评价方法和准则 (19)

3.2.5 本章小结 (19)

4实验与仿真 (19)

4.1多机器人主动建立物理通信链路仿真 (19)

4.2基于ZigBee的多机器人无线通信仿真 (23)

结论 (25)

致谢 (27)

参考文献 (28)

未知环境中多机器人通信技术研究

摘要

社会发展大步向前，在工业制造，航空航天，海洋，农业，军事等多个领域对机器人技术提出了新的要求。由传统的单模式的机器人逐渐走向多模式机器人的通信研究。相对于单机器人，多机器人系统变得更加复杂，需要有一个合理的和有效的多机器人的智能系统来控制多机器人的部署，例如，要考虑环境，控制技术，规划感知和优化路径信息交流的机器人。特别是对于移动技术的多机器人之间的“沟通”，即通信技术，多机器人的通信技术研究是目前多机器人研究领域的热点问题。

机器人的技术是一门交叉学科，涉及到运动学、力学、机械设计与制造、电气工程、通信技术、计算机技术、传感器技术，模式识别和人工智能等众多学科，这些学科都没有主次来分，都是重要的机器人理论和技术支持。目前，伴随着科学家们技术和理论的深入性研究，很大程度上提高了机器人的大规模发展要求。对多机器人系统的新时代提出更高的要求，多机器人通信技术研究主要是解决在在同一工作时间、空间中为每一台机器人甚至多台若干台机器人之间的相互通信，机器人与人，机器人与机器人之间的通信。本文在导师的指导下，及时学习和整理多机器人通信技术的相关文献和资料，其主要内容如下：（1）学习研究目前国内外多机器人通信技术的发展和多机器人通信方式的理论研究。

（2）研究学习当前多机器人的通信技术通信模式，在此基础上深入学习三种机器人通信模式。

（3）学习研究分析多机器人通信展望与发展瓶颈，分析总结出各种通信发展问题，以及对于多机器人控制的影响。

最后总结全文，分析多机器人通信的的未来的发展趋势。

关键词：多机器人；通信技术；通信模型；通信结构

UNKNOWN ENVIRONMENT MULTI-ROBOT COMMUNICATION TECHNOLOGY

Abstract

Social development strides forward in many areas of industrial manufacturing, aerospace, marine, agriculture, and military robotics fields proposed new requirements. Communications Research multi-mode robot development model robot traditional single mode gradually. With respect to a single robot, multi-robot systems become more complex, the need for a reasonable and effective multi-robot system to control the deployment of intelligent multi-robot, for example, environmental considerations, control technology, planning and optimization of perception AC induction path information and dynamic decision. Especially for multi-robot technology moving between "communication", that is, communication technology, multi-robot communication technology is one of the hot topics in the field of robotics research

Robotics is an interdisciplinary, involving kinematics, mechanics, mechanical design and manufacturing, electrical engineering, communications technology, computer technology, sensor technology, pattern recognition and artificial intelligence, and many other disciplines, these disciplines are not primary and secondary points, robots are important theoretical and technical support. Now, with the in-depth study of the theory of scientists and technology has greatly improved large-scale development of the robot. The new era of multi-robot system is more demanding, multi-robot communication technology research is mainly addressed in the work at the same time, space for each robot and even communicate with each other, the robot with multiple people between several robots, communication

between the robot and the robot. Under the guidance of instructors, timely study and compilation of relevant literature and information multi-robot communication technology, and its main contents are as follows:

(1) study the development of domestic and international multi-robot communication system and study of the current multi-robot communication.

(2) Learning the current communication mode multi-robot communication technology, in-depth study on the basis of three kinds of robot communication model.

(3) Learning outlook and analysis of multi-robot communication bottlenecks, analyze and summarize the various communication development issues, as well as for multi-robot control of.

Finally concludes the paper, analysis of multi-robot communication of future large-scale trends.

Keywords:multi-robot;communicationtechnology;communicationmodel;commu nication structure

前言

目前全球处在一个科学创新不断增长的时代，无论是欧盟的工业战略 4.0还是美国的制造业复苏计划，还是中国的“十二五”规划，世界各国对机器人的战略发展越来越受到重视，不仅在工业制造中机器人有出色的表现，在现代服务业、新医药、新农业等日益突出的新领域中发挥越来越大的作用。在接下来的日子里，我们的生产方式将有一个巨大的改变，是一个巨大的机器人模式和互联网模式，它们必将改变人们的日常生活。我们国家工业机器人发展起步晚，技术较为落后，机器人应用模型单一，与国际水平差距较大，但是伴随着中国的“十一五”和“十二五”规划的落实，中国的机器人产业快速发展，截至目前，世界上最大的工业机器人市场已经转移到我国。与此同时，智能小型机器人悄然进入人们家庭，伴随着第三代智能机器时代的到来，作为智能时代的“宠儿”，机器人领域正迎来前所未有的发展机遇。

机器人是一种可操作的机器，它的形状为各种各样，以便在机器制造中完成某些特定的任务和设计，具有可以完成不同的任务的各种可编程的接口与功能，它可以用来代替人类完成材料处理、爆破、勘探、采矿、用来焊接大型的或危险的任务。多机器人系统不是简单的几个单个机器人在一起，这是很容易理解的物理意义，但它们是作为一个系统是非常复杂的，有着千丝万缕的联系。其中整个多机器人系统的效果不再是单一的机器人和线性的作用，各个机器人之间进行增量相互作用使得整个机器人系统具有“线性和”。“协调”和“合作”是包含在个人与个人机器人之间的两个基本元件，它是这两个基本元素，所以，相对于一台单个机器人，多机器人系统更能突出前者的优点，例如，对探索未知环境中的多个移动机器人具有并行处理、容错、冗余的优势，可以克服不确定性和更好的与环境传感器结合工作。而通信方式则为多机器人系统的关键技术之一，具有重要的意义和出色的性能，这对于其他学科的发展也发挥着不可替代的作用。

通信技术与多机器人体系结构、机器人学习问题和路径规划是多机器人协作系统中四个待解决完善的问题。本文选取通信技术作为多机器人系统中的研究，分析探索多机器人通信技术方式，同时学习研究多机器人通信模型，同时培养个人对科学探索研究的兴趣，增强对多学科知识的融合能力。

1 多机器人通信系统

1.1 目前主要的通信方式系统

1.1.1 国外通信方式

多机器人工作的首次尝试，最经典的是CEBOT。在这种结构中，当主系统被分配到任务，与其他机器人连接。信息的传输方式主要是基于光纤传感器和通信总线实现的，这是一种类似于主从式的配置，但是对于目前的社会发展形势来说，类似这种的通信系统结构俨然不能再适应比较复杂的任务环境的需求了。使用机器人的传感器信息和CWM RP多机器人系统，同时建立一个通信的通信子网，由多移动机器人位置控制算法在此基础上的实践。Mindart多机器人系统、信号灯互相交流使用，每个机器人都配备了一个可移动摄像头和感应灯，在地面位置上确定一个共同的灯塔的路标，最后完成多机器人搜索和运输成品。

由于多机器人，它是一种非常特殊的智能系统形式，分布式智能和技术研究在促进多机器人系统的迅速发展起到了催化作用。现阶段的机器人基本上是基于分布式多智能体机器人系统java语言的机器人，这样的系统可以运行在小型设备上，可形成多机器人系统运动通过分布式应用的大型分布可行程多机器人系统运动。他们可以提供完全可行的通信服务，并且不考虑代理商之间的通信安全问题。现在，有更先进的无线通信解决模块，他们建立了从一个网络移动和基于网络的多机器人通信安装模块，这个空间模块集成的多机器人系统已成功地进行了GPS定位、北斗导航试验。

1.1.2 国内通信方式

在国内，科学家对多机器人通信系统进行了全面的研究，主要包括：通信、通信协议、通信平台等。李莹莹等Ad Hoc模式设置户外多机器人通信网络的建设和发展，户外机器人群体形成实验等。

任孝平等/ MORCS-2 0的多机器人团队的多机器人通信系统进行了深入的研究，并提出了一个通信网络的可重构，并在距离和其他相关实验监测去的了一定的进展。

吴霞第建立了一个基于无线局域网的多机器人通信互联的操作平台，基于

C/S网络模型T CP/IP协议的设计，被广泛应用在最终的机器人通信模型中，他们完成了一个推箱子游戏的多机器人实验。基于所提出的一种通信机制的集中控制机制，建立了基于多移动机器人SSS方法网络计划的一个单一的Ad hoc网络，形成了可以移动的实验模拟。

随着国内外多机器人通信系统的深入研究，他们提出了一种新的多机器人通信系统网络。总的来说，外国的多机器人通信系统进行了大量的实践研发，也做了很多的研究工作是基于通信方式的探索，也有的生产出一个共同的通信模块。相比于国内的多机器人通信系统研究进程，大部分研究内容都是基于无线局域网和移动自组网络的系统，它不能与国外进行比较，而且其研究也很简单。然而通信作为一种多机器人系统下的交流方式，必须将其作为一个单独的内容，进行研究，目前的研究工作主要是机器人队列的安排、列队形状的确定，以及更多的混合学习内容的具体研究，所以现在迫切需要有更多的完整的多机器人通信系统的研究来填补这一块空白。

1.2 多移动机器人通信方式

通信作为一种基本的通讯手段，通过国内外大量的实验可以知道，提高通信效率，可以实现多的机器人任务与多个机器人之间的相互协作。他们的沟通类型如图1.1所示。

图1.1 通信方式类型

1.2.1 显性通信

通信方式有显性的和隐性的。顾名思义，显性的通信主要是利用特殊的通信媒介进行通信，在某种程度上实现信息的共享传递，使我们可以快速和有效地实现多个机器人之间的信息的相互交流，并可以实现一些更先进的合作策略。但是，显性通信还包括：直接通信和间接通信。对于直接通信，他们要求的发送者和接收者必须是一致的，就是进行通信时，发送方和接收方必须同时在线，不然不能收到相互的消息，所以需要一种共同的，都认可的通讯协议来约束；但是间接通信就不必必须有接收方，可以没有发送方，无线电广播是一种间接的通信形式，它即不规定必须有接收方。

1.2.2隐性通信

在相对十分复杂的环境中，因为噪声的出现或者是硬件系统的出现无法识别情况，显性通信是很容易出问题的。伴随着多机器人数量的增加，对方通话的时间延长和他们之间的沟通会伴随着他们的复杂性增加，这种情况，如果依靠一个共享的环境信息，而不是一个专门的通信链路隐形通信更符合通信的任务。

相对于显性通信，隐性通信是通过传感器获取外部环境的信息，多个机器人之间的相互协作，但没有一个固定的规则，来做为多个机器人实现特定信息的具体传递意义。目前大家都知道，基于内隐通信的昆虫传感系统已经取得了巨大的成就和具体的硬件设施，他们利用昆虫通信，理论产生的化学物质，因此他提出了一种隐含的通信，并成功地应用于清洁任务。felner A*算法应用于其他大型模型特异性信息素通讯，和问题的同质群体机器人的控制和通信的所有方面。

在隐性通信的过程中，各成员之间没有明确的数据交换，从而使内隐式交际系统的设计非常困难。例如：如果通信媒介本身发生了许多变化（如光的数目和颜色变化），这样沟通成为一个打问题。此外，这样的系统不能使用先进的协同策略，将影响机器人执行复杂任务的能力，通过这一点，我们可以得出这样的结论：基于感知的内隐通信还有很大水平的提升空间。

当前显式和隐式通信多机器人通信系统是一种独特的通信方式，如果我们

可以将两者的优势相互转化，使多机器人系统能够灵活应对未知环境，可以轻松完成复杂的任务。我们可以用显性通信，在上层与机器人之间进行合作，我们会利用底层的合作，进行隐性通信。如果这个过程中，有一个隐性通信是没有解决冲突或死锁的，我们应该使用显性通信协调解决问题。因此，多种通信方式能提高系统的协作能力，纠错能力，也能减少通过流量，避免短板的通信影响。

1.3 多机器人通信拓扑结构研究

目前，多机器人的通信拓扑结构大致可以分为星型、环形、总线、网格等。在网络层面上，计算机被广泛地应用于网络拓扑结构中，可以为多机器人通信提供理论参考。目前，多机器人系统在工业上的应用，是广泛使用的总线结构，它通过一个单一的机器人通过有线网络连接，然后根据通信协议进行通信，完成各种任务。对于总线拓扑结构，它的重要功能是能够使用多个访问和广播媒体，这样就可以简单地构成一个分布式系统。以太网是典型的总线拓扑结构中比较有名的一种。所以，现在的总线拓扑结构是一个多机器人通信系统目前广泛使用，其优点是具有良好的一致性具有强大的通信链路。当然，虽然这种方法是很好的，然而，这种结构是不能够适应的机器人的移动性政策的机器人来说，通信的及时性，可靠性等方面都存在着具体需要解决的问题，都需要应用到多机器人通信网络的拓扑结构中。

目前多机器人通信系统与国内外研究人员在无线局域网中的研究已经取得了一定的进展，但结构仍然是固定的一个支持网络基础设施，这严重的阻碍了机器人产业的发展。此外，对于机器人，他们并不总是其他机器人在通信范围内，我们认为，更多的研究机器人通信，我们必须寻求适应网络拓扑结构的移动性要求，它可以是一个动态的多跳路由和转发信息机制。AdHoc网络系统由于其自身的特点已成为第一选择，所以现在的Ad Hoc模式成为一个通信网络的多机器人通信系统打多数使用的系统。

1.4 多机器人通信协议研究

1.4.1MAC子层协议

目前，对于多机器人通信网络来说，MAC子层的层次结构有很多种的，它们主要是研究提高通信信道的利用率和冲突，为了保证机器人之间的实时通信，进行检测。然而，对于研究机器人的水下无线通信问题的科学家们，并提出一个可以基于循环的无线MAC协议，解决了了多跳路由带来的隐藏终端问题和暴露终端的问题，在这类基础上，科研人员提出了分布式无线环协议的Ad Hoc 通信网络结构以及在多机器人通信系统中应用的可行性具体分析机器人的通信系统。然而，为了研究这些解决方案，他们需要保持一个物理或逻辑层，从而是系统的一大负担，所以MAC子层协议是不确定性的。

1.4.2应用层传输协议

用于传输的应用层协议，在多机器人系统中的实时通信中，大多数使用TCP / IP用来接收和发送的通信机器人之间的协议，因为这将确保可靠的通信系统和通信性能基本稳定，可以减少数据丢包现象的损失。基于TCP协议的基础上，对多机器人通信系统放弃对信息的实时传输，但往往不能达到预期的效果，但相反的，基于UDP协议的特点是无线通信，没有连接，没有更高的通信速率，虽然没有错误的拥塞控制，重传超时等支持，以确保政策的可靠性，但他能够显着提高系统的实时性和稳定性。因此，在更好的通信质量和延迟的情况下，UDP协议仍然是第一选择，但不是唯一的，同时还要考虑结合使用TCP和UDP 数据通信。

2多机器人通信模式研究

2.1基于CS模式的多机器人通信

2.1.1CS通信模式的拓扑结构及其一致性特性

在工业方面，多机器人的发展阶段，经历了从教学重现和离线编程的两个大阶段，研究人员近年来开发出了一个灵活的自动化系统开发的机器人离线编

程，它们代表了一个多机器人系统的二次开发方向。然而，离线编程技术发展作为一个多机器人系统的核心技术，必须需要一个外部的计算机可以直接通信机器人控制器来实现离线编程的机器人。而主机器人控制系统的机器人控制器，不仅要完成操作员的各种指令和控制，它也需要外部控制系统有一个相互沟通的功能。并且由于串行线接口协议机器人实现了一个简单的交互式多机器人与外部控制系统的通信功能，可以说，这些功能是很弱的和不完整的。首先，其通信功能的范围过于狭窄，仅限于上传和下载程序和简单的操作触发效果，不能满足复杂的任务，其次是机器人系统不能与外界进行在线控制系统之间的互联，这是无法实现实时通信的机器人。但是随着网络通信技术的不断更新和控制系统的创新与发展，多个基于网络的分布式多机器人控制系统目前已成为机器人控制发展的研究重点，然而，在另一方面多机器人控制系统的体系结构、网络与分布式系统体系结构的不断演进、多机器人的发展方向是开放式机器人控制系统的技术创新趋势。

我们都知道，计算机模型首先是由麻省理工学院提出的，它是最早为了解决台式计算机和网络通信服务器之间的软件应用和共享数据而产生的一种计算机网络结构设计。现在，原来简单的设计已经发展成为一种现代计算机网络模型成为一种更为国际化的计算计网络模型。下面是CS通信模式，这是一个客户端-服务器模型是一个机器人作为中央节点，中央服务器的作用，其他机器人作为一个共同节点作为一个客户端，没有一个节点之间的通信连接，但中心节点和节点之间的通信连接，如图2.1所示。

图2.1多机器人CS通信模式

从图2.1可以看出，拓扑结构CS通信模式可以是一种星型网络，在这种星型网络中，可以将网络节点分为普通节点和中心节点，下面这个矩阵就是所有节点都连接到一个共同的中心节点星型网络：

-N+0 1 1 .. 1

-1 -1 0 .. 1

A= （1）

1 1 1 .. 0

1 0 1 .. 0

通过计算可得CS通信模式的拉普拉斯矩阵为L= - Asc,其特征值为

λ1= 0,λ2= 0,λ3= 0… = λN- 1= 1,λN= N

目前在多机器人协调与控制进程，现阶段的研究重点是多机器人系统的一致性控制性。多机器人系统的线性相干协议一致性可以表示为：

x(t)= Ax(t)

其中，x（t）= { X1，X2，…，n}是机器人的状态向量，A = { aij}∈Rn×n 称为标量耦合矩阵网络，表明多机器人系统的通信拓扑结构。如果通信连接成功，然后AIJ = AJI = 1机器人和机器人之间的值（i= J）；否则，AIJ = AJI = 0（i= J）注意L = -a，L是一个通信网络图的拉普拉斯矩阵。

CS模式的通信网络基于拉普拉斯星形网络，一个特征值λ2 = 1的卫星网络，基于复杂网络理论的一致性和收敛性，比最近邻耦合网络更快，具有相同的平均度。此外，卫星网络，网络的平均水平仅为2，因此，通信网络CS模式作为一个多机器人通信网络的特点是快速响应，网络边缘更少，网络建设和成本更低。

2.1.2基于VC的CS网络通信程序设计

网络通信程序的CS模式，我们可以使用Visual C++ 6.0mfc CSocket类的表达。可以合成的程序由两部分组成：其中一个服务器端程序，可用于接收来自程序的连接请求，程序端和双向数据通信，在服务器上可以运行的机器人中心。另一部分是客户端源程序，对于多机器来说，这种网络通信不好表达，但是我们可以连接到服务器的应用程序和数据库上进行数据通信，然后客户端程序就可以运行在一个普通的机器人上面。为了实现服务器与客户端之间的数据通信，必须首先建立服务器和客户端之间的连接。这必须先创建一个监听端口，创建一个侦听器线程，准备监听客户端的连接请求，并设置消息响应函数onaccept，

在监听套接字在服务器接收客户端的连接请求。在onaccept功能，必须建立一个为每个客户端套接字，以免被混沌通信时。为了获得想要的数据服务器，客户机必须有一个接口，这个接口建立一个消息响应函数OnReceive。此外，为了响应可以相互同一时间的通信，服务器需要引入一个定时器，这个定时器可以在一定时间间隔内传输不同的数据。这样就可以从客户端接收到数据，但是需要主机端创建一个套接字连接OnReceive消息响应函数，这种服务器端接收数据的过程，还可以通过套接字发送数据到服务器来实现程序的编写。

一、服务器应用程序的设计

在VC程序中，服务器端编程包括以下几个。

（1）新建一个程序项目称为服务器，mfcappwizard工程类型，并选择Windows套接字支持。

（2）设计出一个可以输入对话框，输入的内容可以由提供的客户端连接，来完成请求的服务器端口号。

（3）增加cclientsocket类，cclientsocket类从服务器端的连接请求，一旦听客户的CSocket类，客户应每创建一个单独的插座，以免被混沌通信。

（4）通过clisteningsocket类，clisteningsocket类从CSocket类，听建立套接字，上面规定随时监控是否有从一个客户端连接到端口的请求，并在班onaccept消息响应函数增加。当服务器从客户端接收连接请求，onaccept函数开始，首先建立了一个目标cclientsocket的客户端应用程序的连接。使用接受功能，如果连接成功接收连接请求，然后将对象添加到服务器的客户端请求cclientsocket socket队列的建立和建立在响应函数OnReceive消息对象，为了实现客户端接收数据。

（5）程序增加了一个定时器来用来实现服务器端借口定期向客户端发送数据，还可以将特定的内容数据从服务器发送到客户端，这种程序可以根据具体遇到的情况来进行设计。

二、客户端应用程序的设计

在VC程序中，客户端源程序设计可以包括以下的内容，具体如下。

（1）新建出一个命名的项目客户、项目类型mfcappwizard，接下来选择Windows套接字支持，第一步完成。

（2）第二步，设计出一个输入对话框，然后在这个对话框再次输入服务器

地址和端口号。

（3）第三步，可以增加crequestsocket类，从crequestsocket类到CSocket 类来具体的实现客户端和服务器端的交互链接，这种信息的沟通可以增加crequestsocket类到onReceive类响应函数，主要用于接收发送数据到他们的中心服务器。

2.1.3实验与结论

通过上述方法，位于美国ActivMedia Robotics Pioneer2 DXE智能移动多机器人系统形成运动试验包括四个机器人，其中一个就是中心的机器人，这种机器人知道单方面目标的中心位置，与2m/min继续目标点的速度，它接收到的位置信息从普通移动机器人的位置传送和其他三个普通移动机器人。这种机器人可以收到每一个普通的移动机器人都可以接收移动机器人的位置信息，并将信息中心通过信息沟通发送到移动机器人的响应位置。每个移动机器人的相对位置，形成自己的目标。自从工业应用中的多机器人诞生以来，已经经历了一个漫长的过程，随着计算机系统传感器、微电子技术和网络技术的发展，机器人的迅猛发展，特别是网络技术的发展，导致了一场深刻的技术变革，控制技术的发展方向也面临着研究和创新的革新，形成开放的机器人控制器和分布式机器人系统，远远超过大多数通信网络拓扑结构的多机器人系统。

2.2基于ZigBee的多机器人通信

2.2.1ZigBee简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问

控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

2.2.2ZigBee优势

通过上面介绍，我们可以知道，ZigBee技术是最新的一种行业，一个短距离的简单复杂度小、低功耗、低成本的无线网络技术，它是是一种跨越蓝牙无线之间的技术。主要用于短距离无线连接。同时由于低数据率通信的ZigBee技术和功能范围小，也决定了数据业务的小企业进行ZigBee技术。所以，通过以上ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费电子、自动化、汽车、农业生产自动化、医疗设备的运行控制。

2.2.3基于ZigBee机器人通信系统的设计

一、通信系统结构

ZIgBee可以应用到多机器人通信中，多机器人的控制和操作可以使用ZigBee星型结构，如下面的图2.2所示。通过图我们可以看出，三个机器人，他们所有节点的都在网络设备信息中，他包括了，设备关联表的数据包转发和安全相关的密钥管理系统。对于其他普通机器人，更多的是ZigBee节点RFD设备。当这种类型的机器人受到某些触发，比如，由一个内部定时器到外部传感器收集的数据，必须收到回复命令才能协调，才可以将数据将发送到协调员。作为多机器人Zigbee的协调器可以连接到个人电脑的，存储网络需要有约束力的表，路由表和设备相关信息，只有知道了这些信息才能减少了负担，统一网络协调，并提高网络的工作效率。

图2.2网络体系结构

二、机器人的硬件设计

本节主要引用的是Zigbee小车的实验，其中基于Zigbee的机器人硬件一般包括中央控制器模块、外部数据采集模块、驱动模块和执行装置。在本设计中，加入了无线通信模块。中央控制部分是典型的嵌入式系统。利用帧间at91rm9205处理器，虽然它是一个工业级的ARM920T内核的处理器，处理速度是非常快的达到200MIPS，它有一个非常丰富的外设接口。下一个ZigBee无线通信模块采用radiopulse韩国MG2455芯片。使用无线传输芯片，处理器芯片或数据处理的机器人指令接收部分接收MG2455速度的处理器速度，机器人的实现具体操作驱动电机。当机器人或机器人需要额外的PC发送命令或数据，通过高速ZigBee节点处理器组织的数据传输，ZigBee节点的数据组装成一个数据帧传输天线。然后，你可以使用一台个人电脑现在监视和控制机器人，并且需要耗费时间的计算，用来查看提高网络的效率。这个模块RM9200和ZigBee模块采用串行通信。如果数据被发送时，通过另一个中断处理发送的活动序列数据。由于数据流量小，流量不频繁的操作中央控制部分的正常运转。

图2.3 机器人硬件结构

2.2.4通信模块ZigBee节点的硬件设计

现在最常用的通信模块是adiopulse嵌入式ZigBee应用设计系统。该通信模块支持2.4 GHz，IEEE802.15.4/ZigBee协议，通信距离可达300米。在物理层，采用直接序列扩频技术和O-QPSK调制技术，它具有很强的抗干扰能力，使用CSMA-CA信道竞争机制，能大大提高通道利用MAC层网络。

MG2455芯片通讯速度：250 kb/s使用ZigBee技术，使用语音和图像的通信

速率为500 kb / s的1 Mb / s的传输。在1.5 V的工作电压，接收灵敏度可达98 dBm 和8 dBm的发射强度。在芯片的功耗在深睡眠模式可以减少到一个或更少。

MG2455芯片的处理速度是12倍的标准8051,96 KB的嵌入式闪存和8 KB的数据存储，一个SPI端口，两个串行端口，两个外部中断，四十一/ D转换器，四定时控制、PWM、22个普通I/O口。此外，体积只有7 -7- 0.9毫米，外围电路只需要几个电感器，电容和电阻。天线可以是一种天线，也可以是陶瓷天线或天线板天线。

2.2.5ZigBee节点的软件设计

该芯片MG2455，radiopulse公司EVK，MDK和另外三个版本的软件。EVK 实现MG2455芯片的驱动程序，它们包括了无线模块、串口模块、电源控制模块。通过中断MG2455芯片数据和无线物理层传输缓冲区，接收缓冲区交换无线。用户可以使用基于该版本中实现灵活的软件；MDK的MAC层协议的实现，包括CSMA-CA机制，加入数据的要求等；ZigBee协议的AP，AF，和安全层。机器人应用三版本强调数据的实时传输，所以选择EVK软件作为上层应用程序开发的基础。这里有几个重要的函数表达：

（1）zsys_send_packet uint8（uint16 BANID、uint18srcaddr，uint18dstaddr，uint9 msglen，uint9* msgbuff，ackreq，oobindex）；/ /发送源节点将数据包发送到目标节点信息这个函数，此参数包含网络标识、源节点地址、目的地址和发送内容的。

（2）mac_pkt * zsys_rx_packet_get（）；

/接收数据包

zsys_rx_packet_clr（）；

/ /清除接收缓冲区

源节点通过接收缓冲区中的消息接收消息。当消息缓冲区，该函数返回一个指向数据的指针，通过该指针访问源地址、信号强度值和内容

（3）无效zsys_uart1_put_string（uint8 *，uint8

strlen）/把消息给主机

zsys_uart1_get_string（uint8 *区的卡片，卡片

strlen）；//从主机获取信息

ZigBee节点通过该函数与主控制器芯片AT91RM9200的沟通。

2.2.6上层协议的设计

本小节，我们设计了一个简单的机器人合作的应用小程序：就是一个机械式的手臂从箱子中拿取了一个乒乓球，移动它到适当的位置；另外一个机器人乙机器人从墨水瓶墨水笔蘸墨水，然后一个机器人画乒乓球图案，一个是乒乓球机器人将移动的位置。在绘制图案之后，机器人将被描绘成另一个篮子的机器人图案。对于这种情况下，设计的通信协议之间的机器人。指定的传输数据格式，一阶1个前缀，随后由一个可选的命令参数，主要是坐标信息。

（1）一个机器人需要在通知后到达合适的位置然后移动乒乓球，甲机器人可以开始下一步。在这种情况下，一个甲机器人发出一个机器人命令帧到乙，这个时候只有命令，没有位置轨迹的信息。

（2）乙方收到信息后，往墨水瓶内浸墨，机器人一个通知开始画图案。

（3）乙方机器人会提前算好通知进展情况，根据甲机器人的进展情况，然后通过机械臂来调整乒乓球的方位；在这段时间内发送指令除了命令前缀，以及协调信息，代表当前任务的进展情况。

（4）乙方完成机器人图，告诉机器人末端信息，一台甲乒乓球机器人将把它放回篮子里。

2.2.7本章小结

通过以上几部分我们客观的分析了Zigbee机器人通信的特点，基于ZigBee 为基础的机器人提出的通信方案，不仅适用于短距离通信技术和应用通信的机器人，而且我们现在还可以嵌入式无线通信模块的机器人，打个比方就是，给机器人加一双耳朵和眼睛一样。分别解析了机器人的硬件和软件通信模块的设计。目前流行的ZigBee的机器人网络技术是基于IEEE802.15.4无线通信协议，这种网络网络技术虽然它们低成本、功耗很小，但是传输速率也低的特点，但是可以支持星形，树形和网状网络拓扑结构和其他结构。只有彼此间歇提供有限的信息的多机器人协作，并保存尽可能多的能源，而ZigBee技术是非常适合这样的场合。你可以想象在不久的将来，各种各样的机器人会做根据不同环境完成人们不同的需求任务。所以，我相信基于ZigBee无线网络技术的机器人，在