基于无线传感网络的移动机器人通信研究

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基于无线传感网络的移动机器人通信研究

彭 柳，方彦军

（武汉大学自动化系，湖北 武汉 430072）

【摘 要】文章对无线传感网络在机器人设计中的应用进行了研究，提出了一种基于Ad hoc网络的分布式无线令牌环协议的机器人通信系统实现方案，分析了其在机器人通信系统应用中的可行性。文中给出了基于无线传感网络的机器人通信系统的软硬件设计方案，并对其在移动机器人通信系统中的应用问题进行了探讨，最终提出了无线传感器网络应用于移动机器人通信系统的实现方法。

【关键词】无线传感网络；移动机器人；无线令牌环协议

【中图分类号】TN929.52 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2008)02-0108-03

Ｍｏｂｉｌｅ　Ｒｏｂｏｔｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ

PENG Liu, FANG Yan-jun

（Automatization Department, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China）

【Abstract】In this paper the application of the wireless sensor networks in robot design is studied and a new mobile robots communication system based on Ad hoc networks and with distributed wireless token-ring protocol is proposed, and its feasibility is analyzed. This paper describes the implemetation of hardware and software design, which is based on the wireless sensor networks for communication system robots, then discusses the problems of the application on the communication system for mobile robots, finally advances the realization method of the wireless sensor networks applied in on the communication system for mobile robots.

【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｏｋｅｎ　ｒｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ

2008年第02期，第41卷 通 信 技 术 Vol.41，No.02,2008总第194期 Communications Technology No.194,Totally

收稿日期：2007-09-12。

作者简介：彭 柳（1983-），女，硕士研究生，主要研究方向为机器人与网络控制；方彦军（1957-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为

网络控制，智能仪器，嵌入式系统，过程控制。

0 引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部属在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域

[1-2]

。从2000年

起，各军事部门开展了一系列的研究工作，世界的一些知名机构陆续投入到这场抢占科研制高地的战役中

[3-4]

，中国

也在无线传感网络研究方面得到了一定的进步与发展[5-6]

。

文中提出在机器人上应用无线传感网络，解决多机器人协调与通信的问题。通过通讯系统，机器人可以传递外部或内部信息，完成诸如传感信息处理、路径规划等数据运算，同时还可以实现多个机器人之间的信息交互。考虑到机器人自规划、自组织、自适应能力强、所处地点不确定

的特点，基于无线传感网络的通信是实现自主机器人之间相互通信或者机器人与主控计算机之间通信的理想方式。

1 系统结构

每个机器人作为一个独立的部分时，为单个节点的执行系统，自身内部进行信息分析处理和控制，此部分由处理器、存储器构成，算法在内部集成。当多个自动机器人形成一个系统，各机器人之间可以协调通信时，在每个机器人上加入一个传感器模块，利用无线传感网络将节点联系起来，，形成一个局域无线传感网络。其结构如图1所示。在机器人协议上采用令牌环方式，每一时刻都有一个主控制机器人，其他为从机器人，服从主机器人的指令，直至令牌传递，更新主机器人。

多移动机器人协调通信时包括如下功能模块：信息获取模块，对信息进行处理，获取路标位置信息和目标物体的位置信息；自定位模块，利用各种视觉信息和传感器信息进行自定位，属于单节点机器人内部结构；移动机器人控制和信息处理模块，接收操作者发送的控制命令，规划机器人的运动，并向机器人本体和操作手的运动控制器发送运动控制命令，属于多机器人通信时的交流结构。

图1 系统结构

主机器人通过无线传感网络获取从机器人状态信息，向从机器人下达指令，可以监控和灵活遥操作控制从移动机

器人；从机器人通过无线传感网络向主机器人发送状态信息，接收执行主机器人的指令并反馈自身的信息给主机器人。

2 无线传感网络的实现

由于具体的应用背景不同，目前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。

2.1 网络节点功能模块

网络节点的设计是整个传感器网络设计的核心，其性能直接决定了整个机器人传感器网络的效能和稳定性[7-9]

。如图2所示，传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块四个基本模块组成。

传感器模块：包含传感器和模数转换（A/D）两个子模块。其中在传感器部分，可以为各种参数分别设计传感器节点，也可以通过通道切换电路实现包括路径、方案、执行措施指令等传感器的选择性集成，从而实现单个节点具备多种参数的功能以降低网络成本。

图2　传感器网络节点组成

处理模块：传感器采集的模拟信号经过A/D转换成数字信号后传给处理模块，处理模块根据任务需求对数据进行预处理，并将结果通过通信模块传送到监测网络。

通信模块：无线传感网络采用的传输介质主要包括无线电、红外线和光波等。红外线对非透明物体的透过性极差，不适合在野外地形中使用。光波传输同样有对非透明物体透过性差的缺点，且在节点物理位置变化等方面的适应能力较差。因此，在多机器人的通信方式选择上，选用在通信方面没有特殊限制的无线电波方式以适应监测网络在未知环境中的自主通信需求。

电源模块：电源模块由电源供电单元和动态电源管理单元组成。作为一个典型的无线传感器网络，处理模块主控制器和通信模块收发器大多数时间都处于休眠状态，可以节约大部分的节点能量消耗。

2.2 无线传感网络平台

Crossbow公司生产的无线传感模块功能比较完善，提供多种不同的无线发射频率，与计算机的接口配件比较齐全。为了适应机器人现场环境的需要，采用Crossbow公司的MPR400处理器/射频板。其硬件结构如图3所示。

图3　MPR400结构

该板集成了信号处理器和信号发射器两部分，并通过51脚扩展接口与图3中的中央处理器连接。其19、20引脚接收数据和发送数据端口分别与中央处理器的接收和发送端口连接。

在无线传感网络中处理器模块使用较多的是ATMEL公司的AVR系列单片机，它采用RISC结构，吸取了PIC及8051单片机的优点，具有丰富的内部资源和外部接口。集成度方

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