1、北京邮电大学硕士学位论文基于无线网络的移动机器人远程控制系统的研究姓名：李晶申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：魏世民20090215北京邮电大学硕士学位论文2009基于无线网络的移动机器人远程控制系统的研究摘要移动机器人作为机器人技术的一个重要分支，其控制系统的性能直接决定了机器人工作的稳定性和精度。将无线网络技术应用于机器人通讯系统的研究，一方面突破了机器人控制距离的限制，真正实现了跨区域的远程控制；另一方面，使移动机器人可以与网络中的其他智能设备进行交互、协作，更好的地利用网络资源。在分析国内外移动机器人发展现状及趋势的基础上，本文以小型轮式移动机器人作为远程控制研究的对象，
2、构建了以无线网络为通讯媒俞的移动机器人远程嵌入式控制系统。整个系统设计为灵活性较高的上、下位机分布式控制系统。下位机由高性能的ARM9处理器及其主控制板，运动控制卡，传感器等模块构成；使用RS485总线实现各模块间的通讯，有效地保证了下位机功能的扩展性；运动控制卡由ARM7、ATMEL8、陀螺仪等组成，以实现对电机速度的精确闭环控制。软件设计方面，开发了基于多任务、高性能、高效率的跨平台远程控制系统软件。对嵌入式Linux操作系统进行改造，通过裁减系统内核，提高了软件的执行效率，并减小了体积；开发了USB无线网卡驱动，实现了无线通讯功能。采用增量式PID控制算法提高了电机速度的控制精度。设计了
3、无线通讯及串口通讯协议，保证了数据传输的可靠性。提供了良好的人机交互界面。针对移动机器人路径规划问题，提出了一种全局路径与局部规划相结合的方案：用曲线拟合的方法搜索到最优路径；在运动过程中，根据避障策略进行动态实时避障。经过实验数据和仿真结果验证，本文设计的移动机器人远程控制系统扩大了机器人的工作范围，有效的提高机器人的控制精度、智能性和运动能力，达到了设计要求，具有一定的应用价值。关键词 无线网络移动机器人远程控制嵌入式智能性北京邮电大学硕士学位论文2009RESEARCH 0F MOBILE ROBOT REMOTECONTROL SYSTEM BASED 0NWIRELESS NETWO
4、RKABSTRACTMobile robot is an important branch of robot technologyTheperformance of the control system directly determines the stability andprecision of the robot system。纾仍en wireless network technology isapplied for robot communication system，it brings many improvementsOn the one hand，this method br
5、eaks through the limitation of the robotcontrolling distance and implements the crossregion remote contr01Onthe other hand，the robot controlling systems can interact and collaboratewith the intelligent equipments based on network interconnectMore andmore network resources could be fully utilized。Acc
6、ording to the deficiency in remote control research at home andabroad，we designed the robot embedded remote control system based onthe wireless network communication mediumThe system took the miniwheeled mobile robot as the research object and the stability andexpansibility as the design principles阮
7、designed the whole system into a distributed control system ofthe upperlower computer with a high flexibilityne lower computer wasconstituted of ARM9 main control board，motion control board and thesensor data acquisition boardBoth of the slave computers were based onRS485 buswhich increased the expa
8、nsibilityThe motion control boardwas composed of the ARM7 microprocessorAtmel 8 MCU andgyroscope111e software was designed on the requirement of multitask，high performance，realtime and crossplatform communicationTheprevious tasks included realtime transformation of the embedded LinuxOS，the porting o
9、f the Linux OS，the driver of the USB wireless net cardWe adopted increment type PID algorithm improved the control precisionof DC MotoL In order to insure the reliability of the data transfer,theprotocol of the serial port and wireless communication were customized1Also a friendly human-machine inte
10、rface was necessaryAiming at the path planning in mobile robot system，we put forwarda scheme which was a combination of the global path planning and localpath planningWe adopted the curve fitting method to find the optimalpath and obstacle avoidance algorithm to avoid the unexpected obstaclesThe exp
11、erimental data and simulation results showed the mobilerobot remote control system improved the control precisionguaranteedthe real-time performance and fulfilled the requirementsKEY WORDS：wireless network mobile robot remote controIembedded intelligencen北京邮电人学硕一L学位论文2009独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指
12、导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 之泓 日期： 一圣型里：墨!垡关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文
13、被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后遵守此规定)保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。本人签名： 么迸釜 日期： 豳里：墨：丝导师签名：一1慰囟隐一日期： 趟i。丝一一北京邮电大学硕士学位论文2009第一章绪论11研究背景机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，在减轻劳动强度、提高生产效率、改变生产模式、将人从危险恶劣繁重的工作环境中解放出来等方面，显示出极大的优越性。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、
14、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的。自60年代初问世以来，经历40多年的发展已经取得了长足的进步。在研究和开发不确定环境下作业机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。机器人在当前生产、生活中的应用越来越广泛，在某些场合中正替代人发挥着日益重要的作用。机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，由于固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要，因此在20世纪80年代后期，许多国家有计划地开
15、展了移动机器人(Mobile Robot)技术的研究。所谓的移动机器入，就是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人。随着传感技术、计算机科学、人工智能及其他相关学科的迅速发展，移动机器人正在向着智能化和多样化方向发展，它的研究领域也越来越广泛，目前已涌现出批成熟的产品运用到了工业、军事、医学、家居各个方面。移动机器人可以从不同的角度进行分类。按工作环境可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形移动机器人、履带式移动机器人、爬行移动机器人等；按控制体系结构可分为功能式结构机器人、行为式结构机器人和混合式机器
16、人；按功能和用途可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；按作业空间可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人【11。理想情况下，移动机器人的目标是在没有人的干预且无需对环境作任何规定和改变的条件下，能够按照预先给定的任务指令，根据己知的地图信息做出全局的路径规划，并在行进过程中，不断感知周围环境信息，引导机器人自身绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作和操作。然而由于移动机器人移动位置的不确定性，当机器人处于视力范围之外，或是进入危险场地，在现有技术条件下，要求机器入完全自主地完成任务，目前还有一定的困难。因此为了及时掌握它的工作情况并作出反应，远程操作
17、的移动机器人毫无疑问是一个发展北京邮电大学碰十学位论史2009方向。远fg控制的研究在上世纪80年代一直处于摸索阶段，随着网络技术的兴起，出现r蓬勃发展的景象。计算机网络使远程控制不再受地域的限制，低廉的通讯费用解决了传统技术中州建设专有信道而带来的高成本问题，高速宽带网为机器人远程控制的实时性提供了保证。因此，基于网络的远程控制系统成为目前移动机器人研究的热点。12移动机器人的研究现状及趋势12 1国内外移动机器人的研究现状在移动机器人研究领域里，美国、日本和西欧走在了世界的前列。美国的Hu曲es人工智能中心在1987年首次进行了移动机器人越野实验口J，Stanford大学的室内移动机器人能
18、在立体制导系统引导下慢速步行pj。进入90年代后，随着技术的进步，移动机器人丌始在更现实的基础卜，开拓各个应用领域，向实用化进军。美国卡内基梅隆大学(CMU)机器人研究所研制的NavLab系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。NavLab5系列由CMU于1995年建成，车体采用Pontiac运动跑车，如图1-1所示。CMU与AssistWare技术传感器公司开发了便携式高级导航支撑平台PANS(PortableAdvanced Navieation Support)。其传感器系统包括：视觉传感器Sony DXC-151A彩色摄像机一台；差分GPS系统一套，差分模式下定位精度为2m-Sm；光
19、纤阻尼陀螺；光码盘。计算机系统包括一台SparcLx便携式工作站和一台HCll微控制器。工作站完成传感器信息处理与融合，全局与局部路径规划；HCll完成底层车体控制与安全监控。NavLab5在实验场环境道路上自主驾驶的平均速度为885kmh。公路实验时首次进行了横穿美国太陆的长途自主驾驶，其自主驾驶的行程为4496km，占总行程的981。虽然计算机仅控制方向，而油门和刹车由人工控制，但这个结果仍相当令人鼓舞14J。圉1-1 fa)Navlal5机器人德国在一个商业轮椅的基础上研制了fb)Navlab-5中的PANS种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车北京邮电大学碰L学位论文2009站客流高峰期的环
20、境中和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过36个小时的考验，所表现出来的性能是其他现存的轮椅机器人或移动机器人不可匹敌的。日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO身高12米，体重52公斤，如图1-2所示。它的行走速度是n16kmh。从2000年10月31日诞生至今己成为目前最先进的仿人行走机器人。早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。此外，ASIM
21、O还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。06版的ASB,iO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更其各了人工智慧，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，并具备了基本的记忆与辨识能力。图1-2(a)ASnMO踢球(b)AS眦O跳舞我国对机器人技术的研究从70年代束期起步以来，经过不断的发展，在机器人理论、样机设计、研制及机器人应用工程等方面取得了一大批成果有些研究成果在某些领域已经取得了世界公认的成就。清华智能车THMRV是用三星SXZ6510七座厢式车改装的，如图1-3所示。配置了规划计算机、监控计算机、视觉计算机和多台测控计算机它们是按照分层递阶的结构
22、，分为智能级(规划计算机)，协调级(监控计算机)和执行级(视觉计算机和多台测控计算机)。各台计算机之间通过10M ETHERNET实现数据通信。清华智能车THMR-V配备了磁罗盘-光码盘、DGPS互补定位系统，二维扫描激光雷达测障系统，CCD摄像机视觉处理系统，还安装了包括方向控制、油门控制和刹车控制的车体控制系统。经过实验研究已经能够实现结构化环境下北京邮电学峨t学位论史2009的车道线自动跟踪；准结构化环境下的道路跟踪；复杂环境下的道路避障、道路停障；视觉临场感遥拧驾驶等功能。图1-3 THMR-V型智能车Climber是中科院沈阳自动化研究所研制的基于非结构环境移动机器人，可|三I存高低
23、不平、有障碍物及楼梯等复杂多变的环境中使用。这种机器人的移动机构由轮、腿、履带复合构成，它具有剁越障碍物和楼梯、跨越壕沟、在倾斜面上行走、倾倒后自行复位的功能。Climber机器人的传感系统包括环绕在车体四周的11个超声传感器、7个红外传感器、1个摄像头和一个电子罗盘。超声和红外传感器用于采集车体附近的障碍物距离信息，经过滤波、归一化处理后作为避障算法的输入；摄像头具有大范围的俯仰和侧摆能力，用于机器人自身寻找和定位目标；电子罗盘用于感知机器人的航向和位姿。机器人主控计算机足一个PCI04计算机，另有一个PCI04计算机负责传感器信息采集处理。在仿人机器人方面，我国也取得了很多成果。国防科技大
24、学研制出我国第台仿人型机器人“先行者”，它能以每秒两步的频率动态步行，能够在小偏差的不确定环境中行走，并具有一定的语言功能。122移动机器人的发展趋势随着移动机器人关键技术深入而广泛的研究，移动机器人领域开始真正走向人们的生活。其发展趋势包括：(1)导航与定位。无论是单个移动机器人还是多个移动机器人系统，导航与定位始终是一项难鹿。在完全未知或部分未知环境中，基于自然路标导航与定位技术及视觉导航中路标的识g和图像处理的快速算法的研究，并通过数字信号处理器的开发与研制，可以为导航与定位提供突破性进展。(2)服务机器人。继续丌拓新的应用领域研制新的机型，进行更多、吏复杂、更符合实际的现场试验，积累更
25、多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定略实的基础。(3)网络机器人。随着计算机网络的扩展延伸，网络技术的发展完善，通北京衄电大学碗士学位论文2009过计算机网络控制机器人，为人机交互技术、监控拄术、远程操作技术、图像与控制命令的网络传输及并发多进程数据等通信技术提出了更高的挑战。(4)多移动机器人系统。多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成为机器人学的研究热点，这也是移动机器人的发展趋势。(5)智能技术。应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的工智能，关于人的智能到目前还没有揭开它的面纱。所以，没有一个理论可以用来完全指导研究智能机器人的实现技术。今后的发展，主要是各种技术的
26、综合运用、相互补充。13移动机器人远程控制的研究现状及不足131国外研究现状1994年春，Ken Goldberg首先提出基于网络的机器人的思想。其最初的构想是给公众提供可通过万维罔访问的遥控机器人，并支持用户对其实施远程操作。这一设想极大的扩展了于50年前提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可通过HTlV提供的低成本且能被广泛应用的接口来访问并共享远程资源m。1994年9月，第一个允许网络用户远程观察和控制的机器人系统MercuryProject正式运行，采用安装有CCD摄像头和气囊系统的工业机器手，在装有沙子并埋有人造物的半阋形工作卒问中实糟发扭工作，如图14所示。型X：697l zY
27、：17日520囤1-4 Mercu珂P州cct人机交互界面后柬Ken Goldbcrg和Joseph Santarromana又开发了Telegardcn机器人，这个机器人可以通过网络对个指定的花园进行种植、浇水等较为复杂的远程操作，如图1-5所示。用户通过机器人手臂上的摄像机所传送的图像，对这个花周进行简单的操作，如种植种子、浇水等161。北京“电大学硕学位论文2009图1-5 Telegarden网络机器人澳大利亚Westem Australia大学的Kenneth Taylor将一台工业机器人与Intemet相莲接，远程操作者可以通过浏览器访问谈机器人，控制机器人模拟装配作业，而机器人可
28、接受远程工作空间的位置输入，从而控制关节的运动。1995年，美国Camegie Mellon大学研制出第一个具有智能功能的网络移动机器人Xavier。Xavier通过携带的一个摄像机和一些声纳传感器，可以j午=楼内各层的各个房间进行传送文件、敲门、说话等些简单的动作。Xavier系统重视提高系统的自主性显著降低了宽带和不可靠通信的影响。对于机器人的移动，发布的指令只需告诉机器人目的地、方向等简单参数信息，这些信息通过低宽带是完全可以准确传输的，而机器人的自主性能保证其正确处理任务执行期间的各种异常情况，即使通信完全世失，机器人仍然能够完成当前的任务PJ。博物馆导游机器人Guide Robot设
29、计了三个WEB接口用于控制向导机器人及与人群的互动。向导机器人通过网络带领WEB用户参观博物馆。控制程序提供了各类表单柬实例化给用户的反馈信息(比如用户机器人的操作记录)、当前目标以及当前动作，也具备了低宽带通信下更新机器人控制状态的能力。系统能够凝取机器人相机的图像，也能通过各种代理机制在同J时刻服务多个用户例。由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是个能提供对高移动性机器人运动了解和远程机器人探险的行走机器人【9】。它与其他机器人的不同之处在于它在斯珀火山进行了成功的演示，虽然在返回时，在一陡峭的、泥泞的路上，失去了稳定性，倒向了一边，但作为指定的探险任务却早已完成。其他机器
30、人在整个运动过程中，都需要人参与或支持。美国NASA研制的火星探测机器人“索杰那”于1997年登t火星，如图1-6所示。为了在火星上进行长距离探险，叉开始了新一代样机的研制。2003年，“机遇”号火壁探测机器人成功登陆火星，如图17所示。北京邮龟大学磺学位论文29图1_6赶星撂洲机器人一一索杰邦图1-7火星探测机器人一机遇号13 2国内研究现状国内在基于网络的机器人远程控制技术领域的研究虽然起步较晚，但目前也已有了长足的进步。啥尔滨工业大学研究的基于Intemet的遥操作机器人系统一一Rkbot，采用由Interact服务嚣莉机器人服务器构成两层服务器结构，该系统可以使得用户通过Web浏览罂对
31、一台PUMA562机器人进行控制，完成抓取、搬运、堆放等操作。其Web服务器采用Java语音编写的通用刚关接口CGI，Web服务器与机器人服务器之问采用Winsock通信。该系统没有提供动态的实时图像，而是以静态的图片反馈给客户端i101。r海交通大学开发丁基于机器人自主感知模型的机器人系统。浚系统可通过网络自主感知实时的网络传感信息，动态规划机器人路径，实现机器人的导航“I。沈阳自动化研究所的遥操作机器人系统，采用Java语言进行开发，实现了图像以及指令信息的传送旧。清华大学开发的基于视觉临场感的机器人远程控制系统，既可通过人机交实现对机器人的监控和远程控制，同时町根据传感器对环境的感知，实
32、现局部自北京邮电大学硕士学位论文2009主行为控制【13】。国防科技大学设计了基于VR技术的监控式大时延机器人系到14l；华南理工大学设计了基于国际互联网的机器人实时跟踪系统【15l；东南大学设计了力觉临场感遥操作系统【16j等等，这些都是在机器人远程控制领域进行的有益尝试。133移动机器人远程控制技术中有待解决的问题就目前移动机器人远程控制的研究来看，存在的问题主要有以下几点：(1)智能化自主移动机器人的最理想状态就是成为智能机器人。“智能”的特征在于具有与外部世界相协调的工作机能，具体实现上即首先要求机器人确定自身与周围环境的位置关系，以便根据任务做出正确决策和路径选择；涉及到自动控制、导
33、航、定位、多传感器融合以及路径规划等一系列移动机器人的关键技术。国内移动机器人的研究起步较晚，大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段。智能化机器人的实现还需要进行长期的探索和研究。(2)可靠性和实时性的保证控制系统中核心问题之一是实现机器人与服务器、客户端之间数据的动态交互，达到远程可靠监控、现场数据实时交互的目的。但是，由于系统信息必须通过网络分时传送，因而不可避免地在控制环路中引入了传输时延和数据丢包等问题，致使控制系统性能下降甚至不稳定，同时也给网络控制系统的分析、设计带来了很大困难。然而网络传输时延和网络的传输速率、网络所采用的通讯协议、网络的负载以及数据包大小等因素有关，以往在这些方面
34、的研究大多停留在能够“传到”即可，对改进措施进行深入探究的较少。(3)可扩展性目前，国内移动机器人还处于高校与研究院的实验阶段，没有大批量的投入到商用中。设计的系统多为某一特定的目标量身定做，缺乏较好的可扩展性。对于机器人这种特殊的产品，体系结构一旦确定就不易改变。而对于日新月异的科技发展和变幻莫测的市场前景而言，良好的可扩展性是保证低成本和高性能的必要前提。(4)界面设计问题传统移动机器人远程操作中，一般只有受过培训的专业操作人员才能获得操作这些机器人的“特权，对界面的设计没有特别的要求。但是基于网络的远程控制机器人面对没有经验、对机器人控制可能一无所知的非专业人士，界面的设计就成为系统设计
35、中重要的考虑因素，将影响用户的操作行为。界面设计应力求简单，一目了然，易于理解和操作。8北京邮电大学硕士学位论文200914课题意义及任务移动机器人的研究是一个热点，无线遥控技术应用于移动机器人是提高其远程控制能力的一项重要举措。本课题设计目标是针对小型移动机器人，通过远程控制实现简单路径规划功能，并提供足够的可扩展接口，为机器人大赛提供雏型，并为双足独立行走机器人项目的深入研究做好铺垫。课题中设计并提出了一种基于无线网络的移动机器人远程控制系统，即本地计算机通过无线网络对远端移动机器人进行行为控制，实现移动机器人的路径规划、避障等功能。本课题的主要意义在于：(1)就目前移动机器人的发展水平而
36、言，对移动机器人实现完全的自主控制还不现实，即使当今世界最先进的机器人所能独立完成任务的能力与人的能力相比还是非常有限的。因此，需要人与移动机器人交互，以便完成更加复杂的工作，而利用网络则能以较小的代价来实现人机交互。(2)利用无线网络解决了有线网络中存在的一系列问题，并且采用USB无线网卡的接入方式具有便捷、成本低、开发周期短等优点，比以往关注于硬件的RF模块开发要节省大量时间与人力。设计了一种带校验功能的数据通讯格式，提高无线通讯的抗干扰能力，保证数据传输的正确性。(3)综合考虑了本课题的当前任务与今后实验室二次开发的要求，在软硬件平台的设计上，硬件结构采用了上、下位机二级分布式结构，软件
37、采用了嵌入式Linux操作系统，实现了稳定性、可扩展性、易调试等几大特点，为下一步的深入研究做了很好的铺垫。 叠(4)进行了路径规划技术的研究，通过全局规划与局部规划相结合的方式，既提供了较好的实时性，也具备了躲避动态障碍物的功能。9北京邮电大学硕士学位论文2009第二章移动机器人远程控制系统总体设计21移动机器人远程控制系统的总体要求随着科学技术的发展，特别是通讯技术和计算机技术的发展，机器人控制系统正在向智能化、模块化、小型轻便化方向发展。由于机器人控制系统是集成在机器人本体上的，为了方便安装和连接，要求控制系统尽可能小型化；同时为了减轻机器人负载，要求控制系统尽可能做到轻型化。为了便于扩
38、展机器人的功能，应尽量实现机器人部件的模块化，使各控制单元分工明确，保持相对的独立性。本课题中的移动机器人控制系统依据智能性、稳定性、开放性进行设计。机器人控制信息量多、计算量大、控制精度要求也相对较高且发展趋势是智能化在线控制，这些都对控制系统的智能性、实时性提出了很高的要求。机器人运动中首要和基本的问题是实现稳定行走，在稳定的基础上提高行走速度。稳定性是一切运动的前提和保证，也是控制系统的设计目标。此外，为了便于控制系统的移植及改进，对控制系统的开放性提出了更高的要求。除此之外，还应考虑实现方法的经济性，要尽可能的降低成本。整个移动机器人远程控制系统应能按照操作者要求，J下确获取并分析控制
39、指令，准确执行控制指令所要求的运动动作，并能完成基本的路径规划。22无线通信模块选型221移动机器人远程控制系统对无线通讯模块的要求移动机器人的通信系统是进行远程控制的核心，所有操作移动机器人的控制指令均通过通信系统传输给移动机器人。为了确保移动机器人能够正确、实时的执行控制指令，通信系统的选择就显得至关重要。移动机器人的通信系统大体上可以分为两类：有线通讯和无线通讯方式，两者最大的区别在于传输介质的不同。采用有线方式通信时，必须铺设线缆，因而使移动机器人的活动范围受到线缆布设长度、范围等的限制，降低了移动机器人的灵活性和机动性。且在出现通讯故障时需沿线路检查，一般很难及时找出故障点，维护成本
40、较高。此外，这种通信方式不适合正在兴起的多机器人系统的开发。无线通讯方式却正好可以克服有线通讯存在的上述缺点，组建通信系统快捷，故障定位容易，完全可以满足移动机器人所处环境不确定，需要具有较强的自主规划、自组织、自适应能力的工作特点【11。此外，在将系统升级到多机器人间相互通信时较为简单，因此移动机器人的通信方式越来越倾向于无线通信方式。10北京邮电大学硕上学位论文2009本课题中对移动机器人通信系统的要求包括：(1)可靠性通讯系统是实现移动机器人远程控制的基础。目前的机器人技术尚未达到充分的智能机器人水平，在移动机器人系统中，能够实时提取机器人系统的信息和接收发送的控制指令是十分必要的。数据
41、传输的正确性直接决定了后续的系统控制精度。因此，移动机器人的通信系统需要具有良好的健壮性，能够提供较好的通信质量，尽量降低网络延迟，并提供尽可能大的数据传输带宽。(2)低功耗一般来讲通信模块能量的消耗包括发射能耗、计算能耗、存储能耗。由于移动机器人的移动性，必须使用自身电池供电，不但要提供通信所需电能，更要为行走、实物操作等对能量有较大需求的模块提供能量。然而由于电池的能量有限，因此对于通信模块这样的能耗集中点，应尽可能采用能量消耗较少的系统设计。(3)设备体积小若通信模块过大，与机器人体积不相称，不但安装不便，还会给机器人增加额外的负载，增加能耗。同时，降低了机器人的灵活性，限制其应用场合。
42、(4)具有较长的通信距离通信距离是制约移动机器人活动范围的主要因素，为了扩大机器人的活动范围，应该选用通信距离较长的通信模式。222无线通讯模块选型目前基于计算机网络的无线通信方式主要有GPRS、红外、蓝牙及符合IEEE8021lb标准的无线网络等，下面分别对这些无线通信方式进行分析。(1)GPRSGPRS是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体，以支持采用分组方式进行的数据传输。同时，GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此，GPRS系统可认为是
43、对原有的GSM电路交换系统进行的业务扩充，以满足用户利用移动终端接入Interact或其他分组数据网络的需求。GPRS提供的数据传输速率比现有GSM网96kbs的数据传输速率更高，可达905kbs1712kbs。理论上GPRS的带宽可达115K，实际多数情况下只有50K左右。在远程控制中传输大量数据时速度过慢，影响了控制效率。使用GPRS进行通信，监控中心必须拥有一个固定IP，以便监测终端可以在登陆GPRS网络后通过该IP找到监控中心。GPRS无线通讯的实现方式比较复杂，成本较高。(2)红外通信北京邮电人学硕上学位论文2009红外通信是以红外线为通信载体的一种无线通信技术。红外发射系统对红外辐
44、射线采用ASK、QPSK、PPM等调制方式，调制为09um左右波长的红外线后，发射红外信号。其传输速率为24kbps16Mbps。接收系统用光学装置和红外探测器进行接收、解调。红外通信具有成本低、传输速率高、结构简单等特点，既可以室内使用，也可以在野外使用。此外，由于它具有良好的方向性，适用于保密通信。但使用红外设备不能有任何障碍物，对于周围环境造成了较大的限定；通信距离过短：此外还容易受到气候的影响。(3)蓝牙蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其目标在于建立通用的无线电空中接ISI(r
45、adio air interface)及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有相互操作的性能。蓝牙工作在全球通用的免费24GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，最高数据传输率1Mbs(有效传输率为721kbs)。采用时分双工实现全双工传输。它体积小、结构紧凑、安装方便、输出功率低、通话设计精密、支持移动终端并且确保消耗最小的电能。尽管如此，由于蓝牙技术依然存在有效通信距离较短(约为10米)、干扰问题需要改进及产品本身较贵等不足，因此并不适于在移动机器人上使用【16I。(4)符合IEEE 8021lb标
46、准的无线局域网在1999年9月，IEEE提出的80211b”Hi曲Rate”协议用来对80211协议进行补充，8021lb在80211的1Mbps和2Mbps速率下又增加了55Mbps和llMbps两个新的网络吞吐速率。使用IEEE 8021lb标准组成的网络，其传输速率达到2Mbps以上，传输距离可达400米，使移动用户能够获得同以太网一样的性能、网络吞吐率、可用性M。用它接入计算机网络非常的方便，当无线设备接入Internet后，其使用和有线方式一样，只要移动设备在这个范围内，就能连上网络，因此在可移动性方面具有极大的优势。符合IEEE 80211b标准的无线局域网还具有抗干扰性强、安全性
47、能强、扩展能力强、组网速度快、工程周期短的特点181。无线网络的接入方式简单、易维护，其中无线网卡体积小、耗能少、工艺成熟，有很稳定的质量保证，是一种首选的接入方式。这些都使无线网络具备了优越的性能。此外，自主开发射频模块实现无线通信的方法也较为常见，但其通信距离较短且开发周期过长。基于本课题对移动机器入通信系统的要求，决定采用符合IEEE 80211b的无线网卡作为无线通信模块，通过无线路由器接入以太网。12北京邮电大学硕士学位论文200923移动机器人远程控制系统总体设计与工作原理231移动机器人远程控制系统的总体设计通讯系统确定后，就可确定移动机器人远程控制系统的总体架构。移动机器人远程
48、控制系统主要由上位机一一远程控制平台和下位机一一嵌入式控制平台两个部分组成。整个控制系统的组成框图如图21所示。以太网图21移动机器人远程控制系统组成框图远程控制平台主要由PC机和无线路由器组成。远程控制端的任务主要包括：为用户提供个良好的控制界面；进行路径规划与避障等高级运动的决策；根据控制需要，向下位机发送相应的控制指令；利用下位机实时采集机器人的运动情13北京电上学顾+学位论文2009况，包括电机的转速，机器人的位置，各模块的工作状态等。嵌入式控制平台是整个系统的核心。这一部分也设计成上、下位机的体系结构，上位机由主控板、无线通信模块组成。F位机以从机的形式挂载在RS485总线上，由运动
49、控制模块、传感器采集模块等组成。从功能上可分为决策子系统、感知子系统和电机控制子系统。决策子系统的主要功能包括：通过WLAN与因特网无缝接入，实现嵌入式控制平台和远程控制平台之间的数据通讯；JF确解析出远程拧制平台通过无线网络发出的各种控制命令，包括机器人的运动方式，行进速度，电机的控制参数，需设置的传感器参数等：将嵌入式控制平台所采集的移动机器人的实时运动状态数据经过编码后通过无线网络发送给远程控制平台；将上位机发送的指令序列，按照预定的控制算法转化为控制指令发给电机控制子系统；根据感知子系统采集的姿态、位胃信息，校正机器人的运动姿态，从而使移动机器人能够准确完成操作者的命令。电机控制子系统执行决策子系统下发的指令序列，实现机器人的各种运动动作，对电机进行速度闭环控制。感知子系统主要获取传感器模块采集的机器人姿态、位置信息，并将其传输给决策子系统。整个嵌入式控制平台采用模块化架构，满足了通用性、重构性、模块化的要求。232移动机器人远程控制系统的工作原理移动机器人远程控制系统的工作原理如图22所示。囤2-2移动机器人远程控奔I系统工作原理囤(a)移
