未知环境中多机器人通信技术研究报告doc 36页.docx

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未知环境中多机器人通信技术研究报告doc36页

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4

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

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

UNKNOWNENVIRONMENTMULTI-ROBOT

COMMUNICATIONTECHNOLOGY

Abstract

Socialdevelopmentstridesforwardinmanyareasofindustrialmanufacturing,aerospace,marine,agriculture,andmilitaryroboticsfieldsproposednewrequirements.CommunicationsResearchmulti-moderobotdevelopmentmodelrobottraditionalsinglemodegradually.Withrespecttoasinglerobot,multi-robotsystemsbecomemorecomplex,theneedforareasonableandeffectivemulti-robotsystemtocontrolthedeploymentofintelligentmulti-robot,forexample,environmentalconsiderations,controltechnology,planningandoptimizationofperceptionACinductionpathinformationanddynamicdecision.Especiallyformulti-robottechnologymovingbetween"communication",thatis,communicationtechnology,multi-robotcommunicationtechnologyisoneofthehottopicsinthefieldofroboticsresearch

Roboticsisaninterdisciplinary,involvingkinematics,mechanics,mechanicaldesignandmanufacturing,electricalengineering,communicationstechnology,computertechnology,sensortechnology,patternrecognitionandartificialintelligence,andmanyotherdisciplines,thesedisciplinesarenotprimaryandsecondarypoints,robotsareimportanttheoreticalandtechnicalsupport.Now,withthein-depthstudyofthetheoryofscientistsandtechnologyhasgreatlyimprovedlarge-scaledevelopmentoftherobot.Theneweraofmulti-robotsystemismoredemanding,multi-robotcommunicationtechnologyresearchismainlyaddressedintheworkatthesametime,spaceforeachrobotandevencommunicatewitheachother,therobotwithmultiplepeoplebetweenseveralrobots,communicationbetweentherobotandtherobot.Undertheguidanceofinstructors,timelystudyandcompilationofrelevantliteratureandinformationmulti-robotcommunicationtechnology,anditsmaincontentsareasfollows:

（1）studythedevelopmentofdomesticandinternationalmulti-robotcommunicationsystemandstudyofthecurrentmulti-robotcommunication.

（2）Learningthecurrentcommunicationmodemulti-robotcommunicationtechnology,in-depthstudyonthebasisofthreekindsofrobotcommunicationmodel.

（3）Learningoutlookandanalysisofmulti-robotcommunicationbottlenecks,analyzeandsummarizethevariouscommunicationdevelopmentissues,aswellasformulti-robotcontrolof.

Finallyconcludesthepaper,analysisofmulti-robotcommunicationoffuturelarge-scaletrends.

Keywords:

multi-robot;communicationtechnology;communicationmodel;communicationstructure

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CWMRP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AdHoc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-20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TCP/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Adhoc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。

通信方式

显性通信

隐性通信

间接通信

感知通信

环境通信

直接通信

如信息素通信

如点对点通信

如广播、监听

如灯塔通信

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。

felnerA*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AdHoc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AdHoc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。

客户端

中心服务器

客户端

客户端

客户端

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+011..1

-1-10..1

A=

（1）

111..0

101..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VisualC++6.0mfcCSocket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