基于CSMA／CA的自主足球机器人通信子系统设计与实现

《机床与液压>2005．No．3 ·23· 基于CSMA／CA的自主足球机器人通信子系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 谢 云．杨宜民 (广东工业大学自动化学院，广州510o90) 摘要：全自主机器人足球系统涉及到在未知的动态的竞争环境中多机器人的协作，而通信是实现各机器人之间协作行 为的具体手段。因此，如何实现机器人之间的实时通信是一个关键的问题。本文建立了全自主足球机器人之通信子系统的 体系结构；用无线局域网构筑了其通信平台；并且详细介绍了CSMA／CA通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。实验证明该设计是可行的。 关键词：CSMA／CA；足球机器人；多智能体；协作；无线通信 中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2005)3—023—3 Design and Implementation of the Communication Subsystem of Autonomous Soccer Robot Based on CS LA／CA XIE Yun．YANG Yi—min (Faculty of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 5 10090，China) Abstract：Autonomous robot soccer system consists of a multi—robot that need to cooperate in unknown，dynamic，and compet- itive environment．In the cooperation，the interactional behavior of robots is accomplished by their communication．Thus，it is a cm— cial issue how to realize the real time comm unications among multi—robots．Based on the architecture of a comm unication subsystem of autonomous soccer robot，and its hardware platform of bottom layer(the comm unication layer)with WLAN，and its comm unication protocol with CSMA／CA were set up．It’S shown that the comm unication layer is effective，efficient robust． Keywords：CSMA／CA；Soccer robot；Multi—agent；Cooperation；Wireless communication 0 前言 1 通信子系统的体系结构 近几年，人工智能和分布式控制技术有了很大的 文献 [1]提出一个基于BDI结构，使用KQLM 发展。作为分布智能控制研究的一个重要分支，多智 语言实现协作信息处理的通信模型。在此基础上，结 能体系统 (Multi—agents System，MAS)是开放分布 合足球机器人的BDI特征，我们可以建立一个分层 的智能知识系统，它在复杂的动态环境下，通过相互 次的全自主足球机器人之通信子系统的体系结构，如 协商，以协调、实时方式处理问题。其中，单个A． gent既是自治体，可完成局部的问题求解，又可协作 求解全局问题。而自主机器人足球系统 (Autonomous Robot Soccer System，ARSS)作为MAS的一个典型应 用，引起了人们的广泛关注。全自主机器人足球系统 工作在未知的动态的竞争的环境中，是一个复杂的多 智能系统。系统中每个机器人作为一个独立的智能 体，各智能体通过相互作用实现协作的问题求解和相 互间行为的协调。协作是多机器人系统在任务分解、 分配、 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 和决策等过程中的运行机制，主要完成足 球机器人之间的协作问题求解，如角色分配和转换、 队形成和队活动、联合规划等。这种相互作用是由相 互间的通信来实现。因此，如何实现机器人之间的实 时通信是一个关键的问题。 全自主足球机器人由知识信息收集处理子系统、 规划推理子系统、实时控制驱动子系统和通信子系统 等4个部分组成。本文首先以协作为目的，建立一个 基于信念 一愿望 一意图 (Brlief—Desire—Intention。 BDI)模型的全自主足球机器人之通信子系统的体系 结构；然后介绍其底层——通信层的物理实现，包括 WIAN构成的硬件平台和CSMA／CA的通讯协议。 图1所示。 相互作用层 (Interaction Lay— er)包括对话管理与对话协议。 对话管理保证通信内容的正确传 送。对话协议实现协作信息的共 同定义，包括消息内容的解释机 制和组装机制，即消息内容的格 图1 通信子系统 的分层结构 式。相互作用层与足球机器人的信念、愿望、意图密 切相关。自主机器人足球系统在竞赛中各机器人需要 交互的基本信息包括：目标位置和对方球员位置等外 部环境、各机器人的即时运动状态以及决策后的任务 下达等等。 消息层 (Message Layer)与足球机器人的信念、 愿望、意图无关。消息层为上层提供一种通信语言， 对消息内容附加言语行为 (Speech Act)。KQML (Knowledge Query and Manipulation Language)是基于 言语行为Speech Act理论的知识交换语言 。KQLM 可实现基于知识的异质系统间的相互操作和集成，实 现自主的分布式多智能体间的协作问题求解的通信语 言。消息层包括 KQLM的解释机制和组装机制。一 个KQML消息 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 “performative(：sender，：re一 + 基金项目：国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 (512—9935—08)；广东省重点科技攻关资助项目 (200027) 维普资讯 http://www.cqvip.com - 24· 《机床与液压>2005．No．3 ceiver。：content)”，它通过包含在消息中的 “内容 表达式”，根据实际需要开发各种协商机制的Agent 间的高层相互作用模型，实现KQML与信息本身的 格式无关性。在 KQML原有的三类原语的基础上， 我们扩充了适应自主足球机器人消息层需要的原语集 合，见文献 [3]。 位于底层的通信层 (Communication L~yer)包括 硬件物理平台及其传输协议。通信层主要完成逻辑地 址与物理地址的转换，KQLM消息的打包发送与解包 接收，完成实际的网络传输。通信层是一个共享的开 放的平台，它与足球机器人的信念、愿望、意图无 关。本文将详细介绍通信层的实现方法。 2 通信子系统的通信层 自主机器人足球系统因为协作的需要而产生了个 体之间的信息交互，它是系统动态运行过程中高效实 时的信息交互。各机器人智能体间需要精确通讯，实 现点对点或者广播 Broadcast式的信息交互。本文用 遵循IEEE 802．11b标准 的无线局域网 (WLAN) 组建本通信子系统的通信层。 IEEE 802．11是无线局域 网介质访问控制 (MAC)和物理层 (PHY)规范。在局域内为固定 的、便携式和以步行或者行车速度移动的站点提供无 线连接。它支持独立基本服务集 (IBSS)网络和扩 展服务集 (ESS)网络两种拓扑结构。这些网络使用 一 个基本构件模块，即基本服务集 (．BSS)。BSS内 的站点保持充分的连接，并且各站点可以在BSS内 自由移动。 IEEE 802．11b标准是 1997年版的IEEE 802．11 标准的扩展，在2．4GHz频带有更高数据传输率的物 理层。在直接序列扩频 (DSSS)物理层，其数据传 输速率可达25．5Mbps，甚至更高。 2．1 通信层的硬件物理平台 自主足球机器人采用工业控制计算机作主机。工 控机带有多个PCI(或者USB)插槽。因此，各机器 人安装一个带全向天线的 PCI无线局域网适配器 (即PCI无线网卡)，他们与同样带全向天线的访问 点AP(Access Point)一起组成一个无线局域网 (WLAN)，如图2所示。 AP是一个可自动为连接 的无线客户端设定 IP地 址的站点，它将BSS或者 ESS内的站点连接起来。 同时，AP也提供接口到 分布式系统，或者其它的 网络，如以太局域网、 Intemet等。 图2 通信层的硬 件物理平台 本系统的WLAN用D—Link AirPlus DWL一900AP +作AP和D—Link AirPlus DWL一520+2．4GHz PCl 无线局域网适配器构成，它们都带有可旋转 SMA 2．5dB增益天线；室内最大无线操作范围lOOm，最 高无线传输速率22Mbps。 2．2 通信层的通讯协议 无线局域网采用的是IEEE 802．11b标准。该标 准采用具有冲突避免的载波侦听多路访问 (Carrier Sense Multiple Access／Collision Avoid：CSMA／CA)协 议进行无线介质共享。区别于Ethemet LAN的IEEE 802．3标准的CSMA／CD(具有冲突检测的载波侦听 多路访问)协议 ]，CSMA／CA的目的是避免冲突， 而不是检测冲突是否存在。CSMA／CA介质访问控制 规程如图3所示。 其中，NAV是当前的网络分配矢量，它的开始 值是最后一次发送的帧的持续时间。当NAV倒计时 到 0时，并且物理介质 (监测介质)空闲时，该机 器人站点可以发送帧。当 介质处于繁忙状态时，cs— MA／CA协议采用随机退避 时间控制，避免各机器人 站点共享介质可能产生的 冲突。因为介质繁忙，在 状态刚刚结束时，各机器 人站点都试图发送数据帧， 这时是冲突可能发生的最 高峰期，尤其是在通信量 图3 CSMA／CA介质访问 控制协议流程图 较高的环境中。CSMA／CA可以避开冲突可能发生的 高峰期，实现冲突的最小化，以及网络吞吐量的最大 化。 随机退避时间的计算公式： 退避时间=RANDOM ()×aSlotTIME 其中，RANDOM ()是独立于各机器人站点的 平均分布在 [0，CW]段的伪随机整数，其中，CW 是竞争窗口。CW和aSIotTIME都由管理信息库提供。 IEEE 802、11还定义了MAC帧结构： FCfD／IDlA1 lA2{A3 ISC j A4 FBIFCS 帧头 帧体 帧控制 (FC--Frame Contro1)定义该帧是管理 帧、控制帧还是数据帧。持续时间／标志 (D／ID— Duration／ID)包含下一帧发送的持续时间信息，供 NAV监测。地址 (Al—A4--Addressl一4)有源地 址、目标地址等四种不同类型的IP地址。序列控制 (SC--Sequence Contro1)是帧的序列号，用以标识 帧。帧效验序列 (FCS)是一个 32位的循环冗余码 (Cyclic Radundancy Check：CRC)。帧体 (FB—Fmme Boay)用于放置上一层消息层的KQLM消息的打包， ＼＼、 ／／／ 维普资讯 http://www.cqvip.com 《机床与液压》2005．No．3 ·25· 其长度最大可达2312字节 (即18496bit)。MAC帧的 最大长度可达2346字节 (即18768bit)。 如此，各机器人之间将各种信息以打包的方式进 行交换。这些信息包括任务、自身及其它机器人的位 置状态、系统整体状态和外部环境等。从而完成各机 器人智能体之间的相互作用，实现协作任务的问题求 解和相互间角色及其转换、组队等行为的协调。 3 实验与结果 通信子系统的设计主要为了满足比赛的实时性要 求。通信层的技术难点主要是时间片 (时隙)的控 制。为检验通信层的实时性能，必须确认通信子系统 的帧时延和吞吐量。 通信系统的吞吐量定义为：成功传输所用的时间 与两次连续传输间的时间长度之比值。帧时延则是： 一 个帧从产生到被成功接收所需要的时间。由参考文 献 [6]可知，帧时延和吞吐量是平均有效帧长 (P)、传播时延 ( 、MAC帧头 (Hm)、PHY帧头 ( )、分布式帧间间隔 (DIFS)、最短帧间间隔 (SIFS)、时间片 (slot time)和信道数据率 (data rate)等的函数。 在3对3、5对5和II对II的ROBCUP比赛中， 每个队分别有3个、5个和11个机器人组成。它们 分别需要有3个、5个和11个机器人站点构成的无 线局域网WLAN。当WLAN工作在不同的信道传输 速率下，则有不同的帧时延和吞吐量。 在P=1024 bytes、日m=34 bytes、却 =16 bytes、 DIFS=50 、SIFS=10ps、6= 1 、slot time=201．ts 的条件下，对应于不同的机器人站点和数据传输速 率，实验得到数据如表1所示。从表1可见，该通信 子系统有一个小的帧时延和高的吞吐量，可以满足足 球系统队实时性和高效性的要求。 表1 帧时延和吞吐量与数据传输速率、机器人数的关系 数据传输速率 机器人站数 帧时延 吞吐量 3 3ms 0．7l 22 Mbps 5 6ms 0．7l ll 8ms 0．7l 3 7ms 0．74 11 Mbps 5 10ms 0．74 ll l5ms 0．75 3 12ms 0．79 5．5 Mbps 5 l8ms 0．80 ll 26ms 0．80 3 89ms 0．86 1 Mbps 5 lo5ms 0．85 ll 138ms 0．85 4 结束语 本文针对全自主机器人足球系统，进行通信子系 统的体系结构设计；并且用基于载波侦听多路访问／ 冲突避免 (CSMA／CA)的无线局域网WLAN实现其 底层——通信层的硬件物理平台和通讯协议。CSMA／ CA的优势在于冲突避免，与CSMA／CD通信量越高 越容易产生冲突导致吞吐量严重下降不同，无论通信 量高还是低，CSMA／CA都可以将冲突减小到最低， 而最大化网络吞吐量。 本文构筑的通信子系统可以实现足球机器人之间 全双工的通信方式；并且提供1024字节的有效帧长。 甚至在帧时延和吞吐量要求更低时，还可以有更大的 有效帧长。实验证明，该系统有很好的稳定性、可靠 性及高执行效率，可以满足实时环境下自主机器人足 球系统对信息交互的需要。 参考文献 【1】姚 莉，张维明．智能协作信息技术．北京：电子工 业出版社，2002． 【2】Michael A Covington．Speech acts，electronic commerce， and KQML．Decision Support Systems，1998，22：203 ～ 2l1． 【3】Xie Yun，Yang Yiming．Design and Realization of Com- munication Mechanism of Autonomous Robot Soccer Based on Multi—Agent System．2003 1EEE International Confer- ence on Systems．Man＆ Cybernetics，2003：66～7l 【4】Jim Geier．Wireless LANs：Implementing lnteroperable Networks． USA： Macmillan Technical Publishing， 1999． 【5】Douglas E Comer．Internetworking with TCP／IP，Pfinci- pies，Protocols，and Architecture．USA：Prentice—Hall International，Inc．，Third Edition，1999． 【6】Ziouva Eustathia，Antonakopoulos Theodore．CSMA／CA Performance under high tragic conditions：throughput and delay analysis． Computer Communications，2002，25： 313—321． 收稿时间：2o03一l2—29 《数控加工综合实训》一书出版发行 张超英、罗学科主编的 《数控加工综合实训》 一 书已由化学工业出版社、工业装备与信息出版中心 出版发行。全书共40万字。 该书针对计算机数控技术 (CNC)及相关专业 的生产实习、实训等实践环节，以数控加工的实际生 产为基础，以掌握数控加工编程与操作技能为目标， 突破了传统数控技术教材在内容上的局限性。全书系 统性、综合性强，共分8章，前后各章联系紧密。书 中还精选了大量典型实例，均经过实践检验。 该书立足于应用，面向大专院校、高职学校师生 和工程技术人员，注重理论联系实际，由浅入深，通 俗易懂，图文并茂。 胡正隆 维普资讯 http://www.cqvip.com