多机器人系统通信模块的设计与实现

论文摘要

随着人工智能技术的发展,多机器人系统因具备并行度高、分布性广、健壮性强的优点,已经成为国内外研究的热点。机器人协同工作是多机器人系统的重要特征。为了提高协同工作能力,机器人间通常采用无线通讯模式进行信息传递。与有线网络相比,无线网络存在可靠性低、信道延迟高、数据保密性差的问题。因此开发面向移动多机器人系统的无线通讯模块对研究多机器人协同工作具有重要意义。本文的研究工作来源于国家自然基金项目《网络环境下基于群体智能方法的虚拟机协同平台研究》,该项目希望探索一种新的并行计算模式来适应大规模的群体协作。在该目标下,课题组设计并制作了数十个同构、计算能力有限、体积小、移动速度低、电池供电、传感器感知能力差、通信方式简单的机器人节点eMouse。针对群集智能计算模式下信息交互局部性、数据传输量小的特点,遵循简单可靠的原则,本文为机器人设计并开发了基于广播单跳的无线通讯模块RobotNet。本文具体工作内容如下:(1)硬件平台的设计与实现。根据群体智能通讯局部性的特点,模块采用功耗低、传输距离短的射频芯片CC2430,并配有SMA接口的天线。最大通信范围可达15米。模块尺寸仅为25.4x35mm,适合以电池为能源的小型移动机器人eMouse使用。并在eMouse的主控模块LM3S1962上开发了串口驱动,以支持无线通迅模块的使用。(2)协议栈的设计与实现。遵循功能简单的设计原则,本文依据IEEE 802.15.4标准,设计了RobotNet协议栈的物理层和MAC子层。并在MAC子层实现了二元指数后退算法。并在应用层提供了设置参数、查询信息、收发数据等服务。(3)模块功能及性能测试。本文开发了专用串口调试工具。分别在静态和动态条件下,对该无线通讯模块进行了功能和性能测试。并分析了串口波特率、数据包发送时间间隔、数据包长度等参数对系统丢包率的影响。功能测试结果表明:系统内各个节点间可以通过广播方式进行通信。多节点通信时,节点间可以通过CSMA/CA机制实现了信道共享。整个系统无组网限制,适合于大规模群体通信。同时,用户可以通过改变发射功率调整发送距离。性能测试结果表明:多个eMouse节点进行移动通信时,网络可正常工作,且系统丢包率低于3%。该无线通讯模块简单可靠,可用于对群集智能计算模式的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文结构
• 第二章 无线通讯模块的总体设计
• 2.1 多机器人通信方式
• 2.1.1 显式通信
• 2.1.2 隐式通信
• 2.1.3 显式和隐式相结合的通信
• 2.2 群体机器人通信平台
• 2.3 ZigBee技术
• 2.4 RobotNet 系统概述
• 2.5 本章小结
• 第三章 模块硬件及串口驱动模块的设计与开发
• 3.1 射频芯片 CC2430
• 3.1.1 CC2430 芯片简介
• 3.1.2 CC2430 的特点
• 3.1.3 CC2430 无线模块
• 3.2 无线通讯模块硬件设计
• 3.3 基于 LM3S 系列单片机串口驱动的设计与实现
• 3.3.1 UART 简介
• 3.3.2 UART 的帧格式
• 3.3.3 基于 LM3S 系列串口驱动模块的设计与实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 针对RobotNet的zigbee协议栈的改进实现
• 4.1 IEEE 802.15.4 标准网络
• 4.1.1 IEEE 802.15.4 网络拓扑结构
• 4.1.2 IEEE 802.15.4 协议栈架构
• 4.2 物理层的设计与实现
• 4.2.1 信道分配
• 4.2.2 物理层帧格式
• 4.2.3 数据的发送与接收
• 4.2.4 物理层状态机
• 4.3 MAC子层设计与实现
• 4.3.1 MAC子层帧格式
• 4.3.2 MAC子层功能实现
• 4.3.3 MAC子层的状态机
• 4.4 应用层设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 模块性能测试与分析
• 5.1 测试环境
• 5.2 RobotNet系统静态测试
• 5.2.1 功能测试
• 5.2.2 性能测试
• 5.3 RobotNet系统动态测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录