CN101227503B - 智能微小型地面机器人与无线传感器节点间的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信方法，包括以下步骤：a：无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送消息；b：智能微小型地面机器人接收消息，根据两者事先定义的通信协议对接收的数据包进行解析；c：根据事先定义的消息析取规则处理数据缓冲池的SIP和命令缓冲池中的CP；d：得到析取结果，若通过与之相连无线传感器节点向其他机器人发送命令包RCP，与之相连的无线传感器节点接收该命令包RCP并无线转发。本发明的优点在于：为智能微小型地面机器人在移动过程中提供了一种低功耗、保证传输质量的通信协议和消息处理方法；大大减少了无线传感器节点之间无线收发的数据量，降低了节点的能耗。

Description

智能微小型地面机器人与无线传感器节点间的通信方法

技术领域

本发明涉及智能微小型地面机器人通信技术，特别是涉及一种智能微小型地面机器人与无线传感器节点间的通信方法。

背景技术

随着传感器技术和移动机器人技术的不断发展，对于多机器人系统的研究越来越多。传统多机器人或地面无人平台间的通信都是基于电台、无线网卡或串口-以太网转换器，如mobilerobots公司先锋系列机器人、英集斯公司研究版机器人、广茂达公司能力风暴系列机器人，均使用无线网卡作为与外界通信的部件，Amigobot机器人则使用了串口-以太网转换器，它们实际上都是利用高频进行通信，功耗大，占用空间大，通信距离较远。另外，目前国际上流行的Robocup小型足球机器人比赛中采用的无线数据收发模块，以PTR3000为例，是一种半双工收发器，收发芯片的接收与发送共用一个引脚，数据传输速率较低，通信距离有限，适合机器人足球比赛中主控计算机和足球机器人之间的集中式广播通信。智能微小型地面机器人体积小，不适合用无线网卡或电台等占用空间大的通信部件；此外，当多个微小型机器人远距离通信时，类似足球机器人的无线数据收发模块无法实现信息的多跳路由转发。为此，我们设计了一种无线传感器节点用于微小型地面机器人之间的通信，该节点体积小、功耗低，具有感知、处理和无线通信能力，并可以通过RS232接口与智能微小型地面机器人相连实现两者间的双向通信。

图1表示出了无线传感器节点的典型应用——监测环境状态，这类应用主要利用节点的无线通信和数据采集能力将采集的环境信息借助无线传感器网络发送回基站，而利用无线传感器节点作为设备通信部件的应用并未出现。由于无线传感器节点电源能量有限、计算通信及存储等处理能力有限，若将节点作为智能微小型地面机器人的通信部件，需要设计一种低功耗、保证传输质量的通信协议和消息处理方法，确保智能微小型地面机器人移动过程中安全可靠的与外界通信。目前，通过RS232接口连接两个设备间的串行通信协议可参考的标准很多，其中使用较多的是高级数据链路控制协议(HDLC)或点对点协议(PPP)。HDLC协议是一种面向比特的同步协议，图2表示出了它的帧结构，它通过控制字段分为信息帧(I帧)、监控帧(S帧)和无编号帧(U帧)三种不同类型的帧。HDLC协议传输可靠，采用“0比特插入法”实现对数据的透明传输，缺点是实现复杂，不支持多点平衡配置，在数据头部没有指定协议类型，比较适合计算机之间的通信。PPP协议是面向字节的协议，专为在同等单元之间传输数据包的简单链路而设计，图3表示出了它的帧结构。PPP协议比较适合通信中出现差错概率不大的时候，缺点是不使用序号和确认机制，不能保证链路层数据的可靠传输。

由于无线传感器节点不仅要与智能微小型地面机器人进行通信，还要与其他无线传感器节点进行无线通信，因此上述参考协议都不能直接用于智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信。如何针对上述技术存在的缺陷，并结合智能微小型地面机器人与无线传感器节点各自的特点，解决它们之间的通信问题，使得智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信协议能够兼容无线传感器节点之间的无线通信协议，实现机器人网络和无线传感器网络无缝接合，将是本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。本发明所述的这种智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信方法，包括以下步骤：

a：无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送消息，包括命令包SCP、传感器信息包LSIP与传感器信息包RSIP；

a1：无线传感器节点定时将传感器模块采集的信息封装成传感器信息包LSIP，在传感器信息包LSIP中标记优先级属性，发给与之相连的智能微小型地面机器人；

a2：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的传感器信息包RSIP，随即将该传感器信息包RSIP发送给与之相连的智能微小型地面机器人；

a3：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的命令包RCP，随即将该命令包RCP发送给与之相连的智能微小型地面机器人；

b：智能微小型地面机器人从无线传感器节点接收消息，根据两者事先定义的通信协议对接收的数据包进行解析，将传感器信息包LSIP和传感器信息包RSIP缓存到数据缓冲池，将命令包SCP缓存到命令缓冲池；

c：智能微小型地面机器人根据事先定义的消息析取规则处理数据缓冲池的传感器信息包SIP和命令缓冲池中的命令包CP；

d：智能微小型地面机器人根据消息析取结果，自主决策是否需要向无线传感器节点发送消息，若通过与之相连无线传感器节点向其他机器人发送命令包RCP，与之相连的无线传感器节点接收该命令包RCP并无线转发；

其中，命令包SCP表示无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送的命令包，传感器信息包LSIP表示无线传感器节点将传感器模块采集的信息封装成的传感器信息包，传感器信息包RSIP表示无线传感器节点从其他节点无线接收并发送给机器人的传感器信息包，命令包RCP表示智能微小型地面机器人向无线传感器节点发送的命令包；

步骤c所述事先定义的消息析取规则包括如下步骤：

c1：传感器信息包SIP与传感器信息包SIP之间的析取——对于数据缓冲池中不同优先级、不同类型的传感器信息包SIP进行析取，得到一个当前状态信息；

c2：命令包与命令包CP之间的析取——对于命令缓冲池中具有最高优先级的同一类型的命令包CP进行析取，得到当前命令信息；

c3：传感器信息包SIP与命令包CP之间的析取——智能微小型地面机器人根据当前命令信息，再综合当前状态信息做出决策，若当前命令缓冲池为空，则只根据当前状态信息做决策。

本发明的优点在于：在智能微小型地面机器人与无线传感器节点间，提供了一种低功耗、保证传输质量的通信协议和消息处理方法，使得智能微小型地面机器人在移动过程中可以安全可靠实时的与无线传感器节点进行通信，并实现了机器人网络和无线传感器网络的无缝接合。另外，智能微小型地面机器人对数据消息和命令消息的析取，减少了机器人向无线传感器节点发送的命令，从而大大减少了无线传感器节点之间无线收发的数据量，降低了节点的能耗。最后，本方法还提供了一种通过无线传感器节点无线控制智能微小型地面机器人的途径，也使得无线传感器节点具备了移动性，而且智能微小型地面机器人可以在无线传感器自身电源能量耗尽的情况下为无线传感器节点供电，还可弥补无线传感器节点计算存储能力有限的不足。

附图说明

图1为无线传感器节点的结构框图和典型应用；

图2为高级数据链路控制协议(HDLC)帧格式；

图3为点对点协议(PPP)帧格式；

图4为本发明中智能微小型地面机器人与无线传感器节点间传输的数据包类型；

图5为本发明中智能微小型地面机器人与无线传感器节点间的通信协议帧格式及举例说明示意图；

图6为本发明中智能微小型地面机器人与无线传感器节点整体结构图；

图7为本发明中智能微小型地面机器人与无线传感器节点间完成一次双向通信的示意图；

图8为本发明中智能微小型地面机器人处理缓冲池数据包的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述：

本发明中无线传感器节点与智能微小型地面机器人通过串口相连，作为微小型地面机器人的通信部件，主要利用了节点的串行通信和无线通信能力。首先，将无线传感器节点与智能微小型地面机器人之间传输的数据包进行分类，主要有命令包CP(Command Packet)和传感器信息包SIP(Sensor InformationPacket)两大类，图4表示出了无线传感器节点与智能微小型地面机器人之间传输的所有数据包类型。其中RCP(Robot Command Packet)表示智能微小型地面机器人向无线传感器节点发送的命令包；SCP(SensorCommand Packet)表示无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送的命令包；LSIP(Local SensorInformation Packet)表示无线传感器节点将传感器模块采集的信息封装成的传感器信息包；RSIP(RemoteSensor Information Packet)表示无线传感器节点从其他节点无线接收并发给机器人的传感器信息包。机器人A通过无线传感器节点向机器人B发送的命令包RCP在接收端对应为一个SCP命令包，两者内容一致。除了上述四种包类型外，两者收到对方的消息若需要应答则应该回应一个确认包AP(ACK Packet)。另外，在智能微小型地面机器人中定义了两个缓冲池：数据缓冲池与命令缓冲池。

本发明所述的智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信方法，具体包括以下步骤：

a：无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送消息，包括命令包SCP、传感器信息包LSIP与传感器信息包RSIP；

b：智能微小型地面机器人从无线传感器节点接收消息，根据两者事先定义的通信协议(如图5)对接收的数据包进行解析，将传感器信息包LSIP和传感器信息包RSIP缓存到数据缓冲池，将命令包SCP缓存到命令缓冲池；

c：智能微小型地面机器人根据事先定义的消息析取规则处理数据缓冲池的传感器信息包SIP和命令缓冲池中的命令包CP；

d：智能微小型地面机器人得到析取结果，若通过与之相连无线传感器节点向其他机器人发送命令包RCP，与之相连的无线传感器节点接收该命令包RCP并无线转发。

所述的方法，其中所述步骤a包括如下步骤：

a1：无线传感器节点定时将传感器模块采集的信息封装成传感器信息包LSIP，在传感器信息包LSIP中标记优先级属性，发给与之相连的智能微小型地面机器人；

a2：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的传感器信息包RSIP，随即将该传感器信息包RSIP发送给与之相连的智能微小型地面机器人；

a3：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的命令包RCP，随即将该命令包RCP发送给与之相连的智能微小型地面机器人。

所述的方法，其中步骤b所述事先定义的通信协议如图5：图5是智能微小型地面机器人与无线传感器节点间的通信协议帧格式及举例说明示意图，该协议简单可靠，适合无线传感器节点资源受限的特点，保证可靠接收，另外优先级字段标记了发送数据包的优先级，帮助智能微小型地面机器人处理缓冲池消息时做出正确的决策。地址字段有两种取值，0xffff代表广播信息，其他取值则是某个具体无线传感器节点的ID号；类型字段的取值是LSIP、RSIP和CP中的一种；数据字段存放收发的具体信息。该通信协议具体包括帧同步、差错控制、流量控制、链路管理。

帧同步：帧的起始和结束用特殊字节0x7e作为标记，在数据收发时采用特殊的字符填充法，这种字符填充方法只有在其他字段出现0x7e或0x7d时，才将之转为二字节序列(0x7d，0x5e)或(0x7d，0x5d)。可以看到这种方法既不同于HDLC采用的硬件0比特插入删除技术，和PPP协议采用的字符填充法也有所不同。和PPP协议相同的是对除标记字段外其他字段出现0x7e或0x7d时的处理，不同的是PPP协议在其他字段中出现小于0x20的字符，也要将之转变为两字节序列。对于无线传感器节点发送的传感器信息包来说，举一个采集光强信息的数据包为例(07 00 A0 00 01 00 66 03 6C 03 67 03 57 03 5C 03 68 03 6B 03 6403 54 03 5E 03)，两个字节为一组光强数据，从中可以看到上面十组光强数据中，每一组至少都有一个字节是小于0x20的，若采用PPP帧同步方法势必大大增加了发送的数据量，因此不适合用作智能微小型地面机器人与无线传感器节点间通信的帧同步方法。

差错控制：使用CRC-16循环冗余码校验算法，并设置了是否需应答字段，在需要对方确认而没收到确认包AP的情况下，重新发送刚才的数据包，从而确保了数据的无差错接收。

流量控制：在无线传感器节点端不做流量控制，在机器人端设置了两个大容量的缓冲池，并在缓冲池饱和之后，根据接收数据包信息的时效性、完整性及优先级属性等因素定义了一套缓冲覆盖策略。

链路管理：两者通信不需要建立、维持、释放链接的过程，降低了开销，无线传感器节点在没有通信时都处于休眠状态，减少电源能量的消耗。

所述的方法，其中步骤c所述事先定义的消息析取规则包括如下步骤：

c1：传感器信息包SIP与传感器信息包SIP之间的析取——对于数据缓冲池中不同优先级、不同类型的传感器信息包SIP进行析取，得到一个当前状态信息；

c2：命令包与命令包CP之间的析取——对于命令缓冲池中具有最高优先级的同一类型的命令包CP进行析取，得到当前命令信息；

c3：传感器信息包SIP与命令包CP之间的析取——智能微小型地面机器人根据当前命令信息，再综合当前状态信息做出决策，若当前命令缓冲池为空，则只根据当前状态信息做决策。

图6是智能微小型地面机器人与无线传感器节点相连接后的整体结构示意图，无线传感器节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和供电模块，智能微小型地面机器人主要包括信息处理与决策模块、存储器模块和载体自身控制模块。图7是智能微小型地面机器人与无线传感器节点间完成一次数据交互的过程，由过程P1，P2，P3，P4构成，其中P2和P3是本发明方法的关键部分，P2主要涉及智能微小型地面机器人与无线传感器之间的通信协议，P3主要涉及智能微小型地面机器人对于缓冲池消息的析取过程。图8是智能微小型地面机器人处理缓冲池数据包的详细过程，具体描述了过程P2的缓冲覆盖和过程P3的消息析取。下面将各个过程叙述如下：

●过程P1：

第一步，无线传感器节点的传感器模块定时采集各种传感器信息(如光强、温度等)，按照图5所示的通信协议帧格式将采集的信息封装成传感器信息包LSIP，在LSIP中标记优先级属性和是否需应答属性，并通过处理器模块发送给与之相连的智能微小型地面机器人；第二步，若无线传感器节点的无线通信模块接收到其他无线传感器节点发送的消息(传感器消息包RSIP或命令包RCP)，通过处理器模块发给与之相连的智能微小型地面机器人，对于转发的RCP或RSIP，数据包中预先定义了优先级和应答属性，故无需额外设置。一个典型的命令包RCP、封装了采集信息的传感器信息包LSIP和转发传感器信息包RSIP的结构如下：

●过程P2

智能微小型地面机器人从无线传感器节点接收SCP、LSIP和RSIP，如果接收的数据包需要应答则发送确认包AP给无线传感器节点，根据两者间的通信协议(参照图5)解析接收到的数据包，将解析后的传感器信息SIP与命令信息CP分别存放到数据缓冲池和命令缓冲池，并从中提取优先级属性，是否关键帧属性，对于不同传感单元采集的传感器信息分别设置序号；当缓冲池饱和之后，根据接收数据包信息的时效性、完整性及优先级等因素定义了一套缓冲覆盖策略。

√存放结构如下：

√基于时效性、完整性及优先级属性的缓冲覆盖策略和规则如下：

时效性：根据传感器信息的序号来判别存放时间的长短，新收到的传感器信息包可以覆盖过时的传感器信息包。

完整性：虽然有些数据包优先级不高，但属于关键帧，即使存放时间较长也不能被覆盖。

优先级：每一类传感器信息事先定义优先级，高优先级的传感器信息包可以覆盖低优先级的传感器信息包。

●过程P3

智能微小型地面机器人对缓冲池数据包的析取过程，具体通过操作gMsgSIPTbl[]和gMsgCPTbl[]两个数组，一次典型的数据包析取过程如下：

首先，对gMsgSIPTbl[]中不同优先级、不同类型传感器信息包SIP析取，得到当前状态信息CSI(CurrentStatus Information)。假设当前gMsgSIPTbl[]中的传感器信息如下表：

则可以得到当前状态信息：csi＝τ_Af_A+τ_Bf_B+τ_Cf_C，其中τ_A，τ_B，τ_C代表不同类型传感器信息的权重，α_L表示采集的传感器信息A的优先级，α_R表示转发的传感器信息A的优先级，t₁、t₂、t₃、t₄表示传感器信息类型A的序号，I_A(t₁)、I_A(t₂)、I_A(t₃)、I_A(t₄)表示对应序号的传感器信息。f_A，f_B，f_C分别表示当前A类、B类和C类传感器信息的析取结果，其具体含义如下：

f_A(I_A[]，t_α[])＝I_A(x){x＝max(t_α[])}，表示A类传感器信息具有时效性。其中I_A[]＝{I_A(t₁)，I_A(t₂)，...，I_A(t_n)}，代表存放A类传感器信息的数组；t_α[]＝{t₁，t₂，...，t_n}代表存放A类传感器信息序号的数组。

表示B类传感器信息需要保持完整性。其中I_B[]＝{I_B(t₁)，I_B(t₂)，...，I_B(t_n)}代表存放B类传感器信息的数组；t_β[]＝{t₁，t₂，...，t_n}代表存放B类传感器信息序号的数组。

f_C(I_C[]，γ[]，t_γ[])＝I_C(x){x＝arg max(γ(t_γ[])}，表示该类传感器信息具有优先级属性。其中的I_C[]＝{I_C(t₁)，I_C(t₂)，...，I_C(t_n)}代表存放C类传感器信息的数组；γ[]＝{γ(t₁)，γ(t₂)，...，γ(t_n)}代表存放C类传感器信息的优先级属性的数组；t_γ[]＝{t₁，t₂，...，t_n}代表存放C类传感器信息序号的数组；arg max(γ(t_γ[]))代表优先级最高的信息包对应的序号。

其次，对于gMsgCPTbl[]中具有最高优先级的同一类型的命令包CP进行析取，得到当前命令信息CCI(Current Command Information)。假设当前gMsgCPTbl[]中的命令信息如下表，其中优先级α＞β＞γ，以运动命令A为例，它包含两个参数，速度期望值Value及期望系数Strength，则可得到当前命令信息： $\stackrel{\→}{\mathrm{cci}}=\stackrel{\→}{V_1}{S}_1+\stackrel{\→}{V_2}{S}_2=(-100)\×1.0+200\×0.5=0.$

最后，智能微小型地面机器人根据当前命令信息cci，再综合当前状态信息csp进行自主控制，若当前命令缓冲池gMsgCPTbl[]为空，则只根据当前状态信息进行自主控制。

●过程P4

智能微小型地面机器人根据消息析取结果，自主决策是否需要向无线传感器节点发送消息。若智能微小型地面机器人发送RCP给无线传感器节点，无线传感器节点接收该RCP并转发给其他无线传感器节点。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种智能微小型地面机器人与无线传感器节点之间的通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

a：无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送消息，包括命令包SCP、传感器信息包LSIP与传感器信息包RSIP；

a1：无线传感器节点定时将传感器模块采集的信息封装成传感器信息包LSIP，在传感器信息包LSIP中标记优先级属性，发给与之相连的智能微小型地面机器人；

a2：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的传感器信息包RSIP，随即将该传感器信息包RSIP发送给与之相连的智能微小型地面机器人；

a3：无线传感器节点若接收到其他节点无线发送来的命令包RCP，随即将该命令包RCP发送给与之相连的智能微小型地面机器人；

b：智能微小型地面机器人从无线传感器节点接收消息，根据两者事先定义的通信协议对接收的数据包进行解析，将传感器信息包LSIP和传感器信息包RSIP缓存到数据缓冲池，将命令包SCP缓存到命令缓冲池；

c：智能微小型地面机器人根据事先定义的消息析取规则处理数据缓冲池的传感器信息包SIP和命令缓冲池中的命令包CP；

d：智能微小型地面机器人根据消息析取结果，自主决策是否需要向无线传感器节点发送消息，若通过与之相连无线传感器节点向其他机器人发送命令包RCP，与之相连的无线传感器节点接收该命令包RCP并无线转发；

其中，命令包SCP表示无线传感器节点向智能微小型地面机器人发送的命令包，传感器信息包LSIP表示无线传感器节点将传感器模块采集的信息封装成的传感器信息包，传感器信息包RSIP表示无线传感器节点从其他节点无线接收并发送给机器人的传感器信息包，命令包RCP表示智能微小型地面机器人向无线传感器节点发送的命令包；

步骤c所述事先定义的消息析取规则包括如下步骤：

c1：传感器信息包SIP与传感器信息包SIP之间的析取——对于数据缓冲池中不同优先级、不同类型的传感器信息包SIP进行析取，得到一个当前状态信息；

c2：命令包与命令包CP之间的析取——对于命令缓冲池中具有最高优先级的同一类型的命令包CP进行析取，得到当前命令信息；

c3：传感器信息包SIP与命令包CP之间的析取——智能微小型地面机器人根据当前命令信息，再综合当前状态信息做出决策，若当前命令缓冲池为空，则只根据当前状态信息做决策。

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