机器—机器通信（通用12篇）
机器—机器通信 篇1
ABB公司工业机器人控制器IRC5集成了RS-232协议定义的串口模块, 使用者运用机器人语言RAPID编程对其进行控制。但由于工业机器人系统和机器人编程语言的特殊性, 很难灵活地应用控制器的串口, 导致数据不能及时被读取。为了改善机器人控制器的串口通信性能, 笔者设计了一个以STM32单片机为核心的通信中继系统, 该系统利用开关信号触发控制器中断, 通过中断处理函数来读取串口数据, 并且在控制器不能及时响应中断时将数据储存, 从而提高通信实时性和可靠性。
1 机器人控制器相关资源简介
1.1 控制器串口
ABB工业机器人系统由机器人控制器IRC5和机械臂组成, ABB公司开发了机器人语言RAPID和虚拟环境Robot Studio对机器人任务进行编程和模拟[1]。构建一个简单任务用于串口通信有以下步骤:
(1) 在Robot Studio环境下建立一个虚拟机器人工作站; (2) 配置系统串口的属性; (3) 通过编辑器编写调试RAPID程序; (4) 将虚拟工作站载入机器人控制器。
1.2 控制器中断
机器人控制器在三种情况下可以对中断进行响应:1) 当程序从当前指令向下跳转时;2) 当在执行等待指令时;3) 当在执行机器人移动指令时。除了在某些特殊情况 (比如机器人控制器正在执行工艺参数处理这类实时性要求比较高的程序段或者中断被屏蔽[3]) 下, 控制器能非常快的响应中断。当控制器无法对中断进行响应时, 中断将以队列的形式排序等待响应, 控制器满足响应中断条件后, 将从队列的第一个位置开始遍历, 依次响应等待的中断。
定制一个外部I/O中断步骤如下:1) 配置控制器I/O单元和I/O信号;2) 在RAPID程序中关联信号和中断服务函数, 并设置触发方式[2]。RAPID程序如下:
!定义中断变量
VAR intnum sig1int;
!关联I/O和中断服务函数
CONNECT sig1int WITH iroutine1;
!设置中断触发方式为上升沿触发
ISignal DI di1, 1, sig1int;
程序中, sig1int为中断标志, 在与中断服务函数关联后, 用于存放中断服务函数iroutine1的首地址, 它必须被定义为全局变量。数字信号di1在工作站配置中被定义, 当di1处于上升沿时, 中断将被触发, 控制器在满足中断条件的情况下, 执行中断服务函数iroutine1。控制器通过挂载在其Devicenet总线上的信号板来接收外部I/O信号, di1映射在信号板的输入端子X3的1口上。
2 优化系统设计
2.1 硬件平台
经过对机器人控制器相关资源分析, 对通信中继系统的功能提出以下几点要求:1) 能够确认数据源和机器人控制器的收发状态;2) 在机器人控制器不能及时响应中断来读取数据时能将数据源的数据暂存;3) 在控制器可以接收数据时对数据进行重发。针对要求1) , 笔者受TCP/IP协议面向连接的通信方式启发, 在进行通信前通过主机发送请求/从机应答的方式来确认机器人控制器可以接收数据[4]。在硬件上, 这个方案通过单片机I/O口和控制器I/O板的接线来实现。
STM32F103是一款32位单片机, 核心主频达到72MHz, 拥有丰富的片上资源:高速I/O接口、通用同步异步收发器 (USART) 、IIC总线, 快速的中断响应, 满足本中继系统的要求, 因此选用其作为系统的控制核心。本系统的硬件结构如图1所示。STM32F103的同步异步收发器USART1、USART2通过I/O复用分别与外部数据源和控制器的串口连接。储存器选用容量为2K的EEPROM储存器AT24C02来实现, 通过IIC总线接口与STM32F103通信, 它的作用是在数据源产生了数据而控制器无法响应中断时将数据暂存[5]。分配两个STM32F103普通I/O口分别通过硬接线连接到信号板X3端子1口和X1端子的1口, 前者是单片机控制信号接线, 用于触发控制器中断, 后者是控制器用于应答单片机的信号接线。需要注意的是, 上述两个硬接线需要通过电压限位和升压器件连接, 因为控制器电平和单片机电平存在很大差异。
2.2 软件设计
系统的软件由通信中继系统程序和控制器程序组成, 通信中继系统程序主要包括读串口模块、写EEPROM模块、中断服务函数模块;控制器程序包括机器人任务模块、中断服务函数模块;通过如图2的流程对程序进行组织。图中, 通信中继系统通过USART1的TXNE事件中断服务函数从数据源读取数据, 发送写数据请求是通过拉高I/O电平, 使控制器产生中断来实现。在控制器的中断服务函数中, 控制器首先拉高X1端子1口的电平来应答, 然后调用读指令读取数据并清空中断队列。单片机在控制器应答之后进入中断, 执行服务函数将EEPROM内储存的数据发送的同时, 清空EEPROM。在软件上完成主机发送请求/从机应答的通信方式。
3 实验结果
为了对本系统的功能进行验证, 以PC作为数据源, 利用串口调试助手进行了两次简单实验:通过串口调试助手间隔1000毫秒循环发送字符A, 机器人控制器在接收到数据后又将数据发回。实验在机器人控制器执行简单路径控制的情况下进行。第一次实验直接将PC和机器人控制器通过串口直接连接, 控制器利用轮询读取数据;第二次实验利用串口通信中继系统将PC和机器人控制器连接, 控制器利用中断读取数据。实验结果如图4所示, 图3 (a) 为第一次实验的情况, 调试助手发出的字节和收到的字节存在较大差异, 数据丢失严重, 图4 (b) 为第二次实验的情况, 发出的字节虽然也少于丢失的字节。
4 结束语
本通信中继系统在不增加机器人控制器硬件平台复杂性的情况下, 通过在机器人工作站中添加中断的方式, 达到了提高机器人系统串口通信实时性和可靠性的目的。对实验结果中出现的数据丢失现象, 笔者分析是由于单片机的中断服务函数对EEPROM执行读操作的同时, 数据源发送的新数据无法写入。可通过在本系统中加入两片EEPROM, 同时利用DMA的方式对数据源的数据进行传输, 实现双缓冲结构, 进一步保证通信质量。
摘要：通过对ABB公司的工业机器人控制器IRC5和机器人编程语言RAPID进行分析, 设计了一种提高机器人控制器串口通信效率的中继通信系统。本系统以STM32F103单片机为核心, 利用其产生数字I/O信号触发机器人控制器中断来读取数据, 并且实现了数据的暂存, 提高了机器人控制器串口通信的实时性和可靠性。
关键词：ABB机器人,异步串口通信,单片机,中继系统
参考文献
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[3]蔡干杰, 黄跃.PLC以太网在工业机器人中的应用[J].南方农机, 2015, 46 (1) :59+61.
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[5]蔡自兴, 任孝平, 邹磊.分布式多机器人通信仿真系统[J].智能系统学报, 2009, 4 (4) :309-313.
机器—机器通信 篇2
近日有媒体报道称，某学生用压岁钱购买了一台“写字机器人”，帮其抄写寒假作业，由于她在两天内抄完作业，且没有错别字，被家长瞧出端倪，随后机器人被摔碎。
读完这一则报道，不禁引起我们的深思，主要有以下几个问题：学生的作业有那么多，让学生不得已出此下策吗?学校是否有布置作业过多的嫌疑?学生是否应该接触科技产品?现在就让我们一起来一个一个解答。
“学生的作业有那么多吗?”这是很多家长的疑问。答案是肯定的，现在的学生确实有很多的作业，给人压得喘不过气来。但是作业肯定是有量的，没有说的那样的多。只要你认真对待作业，思想上给予它足够的重视，不开小差，在限定的放假时间内肯定是能写完的。只是她在态度上就有问题，觉得这些作业让“写字机器人”写完就好，跟自己没有关系，才会连锁反应，出现了下来的一系列问题，所以学校布置的作业并不是写不完的，只是学生在思想上出现问题罢了。
既然这样，学生是否应该接触科技产品呢?估计有许多家长不赞成学生接触科技产品，怕会闹出更大的乱子，更加棘手，我觉得应该让我们接触科技产品。随着我们学习的深入，有些问题家长、甚至老师都不能给出确切的、正确的答案，这是我们应该怎么办呢?总不能把这个问题扔到一边，置之不理吧。这时就只能借助这些科技产品。但是也不能让学生“误入歧途”吧?这个问题实在不能很好地解决，只能让家长在学生使用科技产品的同时，跟着孩子一起使用，防止发生类似的情况，预防这类事件的发生。但是坚决不能让学生与科技产品彻底割离，这样对学生的发展只有弊没有利，严重的束缚了学生的发展，所以学生应该接触科技产品。
机器人·机器象·宇航服 篇3
1在阿联酋迪拜举行的一场骆驼赛中，机器人正在鞭打一只骆驼。这是迪拜首次在骆驼赛中使用机器人。原来这一操纵骆驼的任务常常由一名10岁左右的印度小孩来担任。但由于这种做法会引起争议。所以在此次比赛中。当地开始使用机器人操纵骆驼比赛。
2全球唯一会骑车的机器人“村田顽童”现身北京，不可思议的是。它的骑车技能甚至高出人类!该机器人能骑行在与车轮同样宽度的平衡木坡道上，即使停下也不会摔倒，此外，它还能倒行并绕过障碍物。
“村田顽童”由电子元器件生产商日本村田制作所2005年首次发布，目前全球只有三个，只为展示企业实力而设计。并不用于销售。而其造价也令人咋舌，与一辆真实的汽车差不多。
3由北京科技大学学生设计的机器人在北京中国国际展览中心表演《机器人“千手观音”》。首届“中国北京国际文化创意产业博览会”在中国国际展览中心开幕。
机器象：100万英镑貌比“金刚”
英国伦敦一家名为“奢华王室”的法国戏剧公司，为了宣传新剧《苏丹的大象》。斥资100万英镑制作了一头12米高、43吨重的大象和一个515米高的女孩模型，并通过巧妙的机械装置令它在伦敦中心街头游行。
大象和女孩模型的各关节均装有先进的电动马达和液压装置，以及数十根粗钢绳，在数十名技术人员的操作牵引下，它们可以像牵线木偶一般在街头缓缓行走，仿佛有生命一般。由于大象和女孩的体积过于庞大。它们每行走一步，都会发出轰然巨响，甚至数英里之外都可以听到，令当地电视台记者产生误解，以为伦敦又遭到炸弹恐怖袭击，并纷纷中断正常节目报道这一消息。
宇航服：最昂贵的“衣服”
航天服其实不是服装，而是穿在航天员身上的环境控制与生命保障系统。在太空中，如果你没有穿上一件安全可靠的衣服，结果可能是：你会因为缺氧而在15秒内失去知觉；你的血液及体液会因为失去气压“蒸发”并凝固；你的器官会因为体液蒸发而膨胀；你朝阳的脸要忍受120℃的炽烤，背阳的腰则要忍受-100℃的冰冻；你会被高速移动的太空微流星体及太空垃圾击中……
宇航服是真正的高科技产品。宇航服的设计者们把宇航服制成多层套服，一般至少有五层。如此复杂的结构，技术要求非常高。加工制作要经过上千道工序。所以宇航服成了世界上最昂贵的服装。一套宇航服最便宜也要数十万元人民币，最贵的每套价值900万美元!这种服装不仅昂贵而且十分笨重。据说第一个穿上宇航服进行太空行走的前苏联宇航员列昂诺夫。虽然总共只穿了12分钟，就被压得汗流浃背。而头一个登上月球的美国宇航员阿姆斯特朗则抱怨说：“我有一半精力花在对付笨重的宇航服上。”
随着人类探索太空的脚步不断向更远处迈进，航天服的技术也在不断取得进展。中国航天员中心航天服工程研究室主任李潭秋表示，在经历了舱内航天服、舱外航天服的阶段后，火星航天服、航天服与自持式生命保障系统一体化的出舱活动生命保障系统，正成为航天服技术发展的新趋势。
1新型火星探测宇航服整套宇航服重21公斤宇航员可以穿着它自由行走于45度的斜坡
2中田航天飞机舱外航天服 “神五”升空时杨利伟身穿的整套衣服重约10公斤。价值高达上千万元。再加上设计费用，总计约达亿元。“神六”宇航服有较大改进。宇航员在太空里日常生活，食品增加到四五十个品种，宇航员“如厕”不再使用“尿不湿”而是“航天员专用马桶”。
3未来宇航服有点像“超人”紧身服。其示意图：①舒适而具有弹性的“生物服装”②头盔⑧靴子④硬壳背心⑤便携式生命支持系统。
机器—机器通信 篇4
1消防侦察机器人的通信控制系统
机器人是一个多功能的完整系统, 其通信控制系统包括内部的和外部的两大部分。内部通信控制包括各种传感器 (如红外传感器、激光传感器、计数器、速度/加速度传感器等) 的数据采集并与主控板通信, 也包括各种执行器如马达的转动、摄像机云台镜头的调节等。消防机器人可以自主工作, 但还要受人的控制, 有时也需要同类机器人的协同工作, 即在消防机器人之间、消防机器人与指挥系统之间都需要外部通信系统。为提高机器人的灵活性, 通信系统优先选用无线通信系统。此方案融合应用了Zigbee网络、GPRS/3G网络、WLAN以及与之相联的Internet网等。
侦察机器人的内部通信除常规传感器外, 在消防机器人中安装了基于Zigbee 网络技术的中心节点, 并在其服务的区域增加了各种低功耗、低成本的Zigbee无线传感节点, 如温度传感器、烟雾传感器、辐射传感器等。这些传感器将增加消防侦察机器人基于视频图像模式探测火灾的判据, 提高其火灾识别的准确性。这不仅降低了人们安全防范的服务成本, 也提高了机器人系统的可靠性和灵活性。
在方便网络接入的机器人服务区, 选用WLAN是较为经济的。常用的无线局域网标准有: IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g等, 其下行速率可达 56 Mbit/s。在此方案中, 消防侦察机器人的主控板连接无线网卡, 无线网卡通过设置在服务区内的无线路由器与Internet网通信, 从而使网络内的所有终端 (包括其他机器人或远程指挥系统) 只要授权就可与本机通信。网络中可配置域名解析服务器, 以便于通过容易识记的域名对机器人的IP 地址进行访问。
3G是在GSM和GPRS基础上发展起来的第三代移动通信技术, 不仅可以提供话音业务, 还能够提供高速数据业务, 能够方便地与互联网业务融合。目前, 国内3G存在CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA3种标准。联通的WCDMA采用HSPA技术可达7.2 Mbps, 完全可以满足视频无线传输的实时性要求。此方案外部通信系统采用了WLAN与3G通信互相补充的方式, 3G网络选择WCDMA进行试验。3G 无线通信模块接到机器人ARM板上的USB口, 以便于提高传输速率。远程用户既可通过具有3G功能的手机接收信息并发出指令, 也可通过3G无线路由器与Internet联网, 从而使远程指挥系统与机器人通过软件通信。系统组成如图1所示。
2消防侦察机器人主机的硬件组成
消防侦察机器人主机硬件选择DSP与ARM双核结构模式组建。DSP主要进行图像数据处理, 包括视频的压缩和火灾的识别等功能。ARM上运行操作系统, 主要用于系统的业务应用。DSP与主机ARM利用HPI并行接口进行数据交换。
DSP核心处理器选择TI的TMS320DM642, 其工作主频为600 MHz, 适合于图像或视频的快速处理。其外围电路包括四通道的视频解码器TVP5154、视频编码器SAA7121、SDRAM、FLASH等。视觉系统的硬件系统前端采用CCD摄像机, 采集的PAL制式视频信号为模拟信号, 经TVP5154的A/D转换后形成数字码流, 送至DM642的视频接口, 由DSP对其进行处理。DM642的VP0或VP1作为视频输入口, VP2作为本机监控的视频输出口。图像处理过程中的大量中间数据经EMIF接口传输到SDRAM中存储。DSP对图像进行处理后通过HPI接口与ARM处理器交换数据。
ARM板选择友善之臂的mini2440进行开发。其核心处理器为三星S3C2440, 它是典型ARM9系统, 功能强大, 有较好的软件开发平台, 并有各种通信接口可以利用。ARM 处理器通过USB接口连接无线网络适配器, 通过无线路由器构建无线局域网络;UART口经电平变换为RS 485接口后可与摄像机的云镜解码器相连, 从而可远程控制摄像机的云台旋转或镜头各种参数。Zigbee模块可与板上的RS 232接口通信。同时, 该模块与分布在服务区内的无线温度、烟雾或图像传感器通过Zigbee协议交换数据, 也可与其他机器人协作, 提供更加广泛、更加智能的业务服务。同时, 其本机I/O接口与机器人的常规传感器或执行机构相通信, 接入各种数据, 完成各种动作。其整体结构框图如图2所示。
3通信控制系统软件的实现
3.1 软件结构
软件主要完成以下功能:远程监控视频;通过主从CPU完成火灾火焰的图像识别和通信功能;通过RS 485总线与前端云台和镜头控制器进行通信, 控制云台和镜头的旋转角度或巡航速度。系统软件包含机器人本机服务器软件和客户端软件。利用DSP系统可组建远程视频服务器, 可远程监控机器人的视频;利用ARM系统可组建Web服务器, 在远端完成对机器人的各种查询和控制功能。DSP和ARM可各自作为独立的系统使用。利用HPI并行接口, DSP与主机ARM通信进行数据交换。软件结构如图3所示。
3.2 DSP启动程序
程序初始化后, 先把存储在FLASH中的有关DSP的配置驱动程序传输到DSP, DSP完成数据采集、压缩、火灾图像识别等任务。各功能模块可通过中断完成相应功能。程序结构如图4所示。
3.3 Web服务器构建
本机构建Web服务器采用Boa。Boa是一种非常小巧的Web服务器, 可执行代码只有大约60 kb左右, 很适于资源紧张的ARM系统。Boa不能并发连接请求, 但支持CGI, 通过CGI程序可以fork出其他进程, 完成各种访问控制功能。开发板提供了Boa源代码 (也可以从网上
下载) , 根据目标平台修改配置文件boa.conf以及相关的源代码文件boa.c、log.c, 然后执行configure生成Makefile, 修改Makefile中CC和CPP等项使其为与目标平台对应的编译工具, 再通过交叉编译生成可执行文件boa, 然后拷贝配置文件boa.conf和可执行程序boa到文件系统中。这样就可以在目标板中运行boa程序了。
3.4 网络通信控制
系统所要实现的功能是让客户端使用浏览器向服务器发送HTTP请求, 服务器响应客户端的请求后, 引导到指定的脚本程序, 对命令进行解析, 将信息交给后台-CGI去处理。CGI解析信息后, 向远程设备发出控制信息。设备响应后, 返回给CGI控制信息, CGI再将信息解析成变量输出到Web Server上, 最后客户端得到Web Server发回的页面消息 (HTML) , 就能得到现场设备的运行状态, 实现对现场设备的远程监控。此系统设计的主要网络通信程序如图5所示。
视频图像的传输主要采用H.264标准。H.264标准具有较高的视频压缩比和较高的图像质量, 在当前的网络情况下可以较流畅地传送视频图像。传感器节点信息包括传统传感器和无线传感器的所有信息。机器人运动控制和摄像头云镜控制主要是指操作人员可通过网页控制机器人的前进、后退、转动指定角度等, 也可以控制消防机器人的摄像头云台上下左右转动、镜头放大倍数、焦距、景深的调节, 以便于得到更清晰、更容易视频处理和火灾识别的画面。
4结束语
随着经济的发展和灭火救援日益严峻的形势, 我国的消防机器人研制工作将会越来越得到有关部门的重视和大力支持, 越来越多的消防指战员已经认识到消防机器人的重要性。随着消防机器人的技术不断完善, 消防机器人的市场正在逐渐形成。此系统中的消防侦察机器人硬件上采用DSP/ARM双核结构系统;在通信方式上, 内部采用Zigbee网络传送传感信息, 外部采用无线局域网与3G网络互为冗余的技术方式, 完成火灾识别、视频压缩、通信报警以及远程监控等功能, 具有较广阔的应用前景。
摘要：设计具有火灾识别、视频压缩、通信报警以及远程监控等功能的消防侦察机器人的通信系统。分别介绍机器人的内部和外部通信控制系统, 以及采用DSP与ARM双核结构模式组建的主机硬件, 从需要完成的功能角度分析软件结构, 并说明DSP启动程序、Web服务器和网络通信控制等软件设计。
关键词：消防侦察机器人,通信控制系统,DSP,ARM
参考文献
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[4]管耀武, 杨宗德.ARM嵌入式无线通信系统开发[M].北京:电子工业出版社, 2007.
机器人，“机器”人作文 篇5
垃圾桶机器人，20xx年，我已经成为闻名世界的大伯，是老赵，这个时代奋斗的人类已经能理解动物的话语，书包有了视网膜识别系统，能清除记忆的记忆，清除机。当然，我也发明了许多有利于人类文明快速发展的高科技。垃圾桶，机器人儿就是其中一之一，来一桶机器人的出现，主要是清理那些人类够不着和捡不到的垃圾，比如海面上漂浮的白色小船，空地堆成的垃圾山垃圾桶，机器人跟一个五六岁的孩子差不多，高大。还有一个圆圆的脑袋，上面有两根长长的天线，可以检测到方圆五里的垃圾信号儿，找到他们的准确位置，他的身体是一个超大的原著，里面配有三个垃圾桶，分别用来装，可回收垃圾，不可回收垃圾和。有害垃圾。
两条笔直的腿就是他的行走系统，脚底下配有推进器，可以行走和飞行，在有需要的时候，腿还会变成轮子和螺旋桨，哪一种。还分多种模式，工作模式。其中吸收模式，抓取模式，分类模式是众多比较特色的几种。吸收模式，主要解决平底，树梢和房顶等处的垃圾。那你得告诉施垃圾桶，机器人就会把身上的盖子打开，伸出一根长长的管子，这个垃圾，下载垃圾就被吸进去了，抓取机器人。抓取模式主要解决复杂地形的垃圾，如水面的垃圾，一些垃圾被扔进河里，有的会浮在水上。有的会沉下去，如果采用吸取模式，水和垃圾都会被吸上来，这样不仅增加了处理的难度，然后一堆水造成二次污染，在这种情况下，垃圾桶机器人。
垃圾桶机器人儿就会伸出两条长手扒垃圾抓上来，分类模式才是垃圾桶机器人最神奇的功能，垃圾桶机器人会按垃圾的密度，形状，特征，等，分成三份进行自动化处理，这样垃圾进回收站就不用再分类，咱缩短了垃圾处理时间，提高了循环利用的效率怎么样啦，N种机器人儿是不是很棒呢。
机器—机器通信 篇6
第一法则
机器人不得伤害人类，或因不作为使人类受到伤害
第二法则
除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令
第三法则
在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己
“机器人三定律”是艾萨克在他的机器人相关作品和其他机器人相关小说中为机器人设定的行为准则，其流传范围之广不仅让其他作者的科幻小说中的机器人也遵守这三条定律，更带来了一定的现实意义，一门新兴学科“机械伦理学”即建立在机器人三定律之上，旨在研究人类和机械的关系。
从1920年至今，将近100多年的时间里，人与机器人之间的协作、争斗从未停止，各类影视作品中处处可见机器人的影子。回顾影视经典，《银翼杀手》（Blade Runner）、《银河系漫游指南》（The Hitchhiker's Guide to the Galaxy）、《终结者》（The Terminater）、《机械战警》（RoboCop）等科幻大作，或温馨，或暴力，或黑暗，或晦涩，但都把矛盾的焦点集中在机器和人的冲突上。
2013-2014年度是科幻大年，许多老牌的经典概念都会再次出现在大银幕上，比如重新制作的《机械战警》将于2014年上映，比如FOX电视台重金打造的科幻剧集《机器之心》（Almost Human）。从片名即可看出，剧中的矛盾已经不仅仅存在于机器与人两者之间，人与机器的结合把这一冲突推到了极点。
Almost Human
《机器之心》
电视网络：FOX
首播时间：2013年11月17日
制作人：J·H·怀曼（J.H. Wyman）
监制：J·J·艾布拉姆斯（J.J. Abrams）
主演：卡尔·厄本（ Karl Urban）/迈克尔·伊雷（ Michael Ealy）/敏卡·凯利（ Minka Kelly）/莉莉·泰勒（Lili Taylor）/麦肯锡·克鲁克（Mackenzie Crook）
首先，欢迎来到2048年，欢迎来到由科幻教父J·J·艾布拉姆斯挂名监制的黑暗世界中。经历了《迷失》（Lost）神一般的成功，《危机边缘》（Fringe）不痛不痒的失败，J·J·艾布拉姆斯如今已经把他的工作重心放在电影制作上，《星际迷航》（Star Trek）系列和最新重启的《星球大战》（Star Wars）系列已經成为他响当当的代表作。纵观J·J的作品，不难发现他一贯的作风：创造一个披着科幻外衣的伦理故事。《机器之心》也是如此。
在如今这样一个“腐”字当道的年代，两位男主角若不发生点“基情”简直就是大逆不道，《机器之心》的两位男主角来头不小：卡尔·厄本以《指环王》系列影片为人所熟知，在新版《特警判官》（Dredd）中凭借“神演技”与一个面具独挑大梁获得好评。迈克尔·伊雷的戏路相当广泛，喜剧、正剧均信手拈来。前者在《机器之心》中扮演一名警察约翰（John），后者则是约翰的机器人搭档多瑞安（Dorian）。
一个设定在遥远未来，屏幕上充满打打杀杀以及各种合成机器人的电视剧一经播出便好评如潮，这其实是一件相当困难的事情。科幻剧集的受众人数相对情景喜剧、罪案/法律/医务类剧集人数要少得多，归根结底科幻背景故事会让观众产生距离感，各种高科技名词，甚至是制造出来的名词让劳累一天的普通观众望而却步。但《机器之心》做到了这一点，攻克了科幻剧集的死穴：在光怪陆离的未来世界背后，这就是一部两名搭档的警匪故事，以下几部作品可以作为《机器之心》的参考：充满基情的《银翼杀手》，机器人为主角《尖峰时刻》。
不一样的年代，一样的罪犯'
由于黑帮犯罪行为的猖獗，每一名警探都要求配备一名机器人搭档，但如今的机器人早已不是冰冷的钢铁外表，他们和人类几乎一模一样，被称为“合成人”，几乎所有的技术工作都交给他们完成，类似数据分析、拆除危险品、常规战斗等等。这些合成人被设计成没有感情，依赖逻辑思维指导行动。
由卡尔·厄本扮演的约翰·肯尼斯（John Kennix）在一次行动中受伤，昏迷了2年之久，失去了一条腿，换来了一条合成假肢。约翰极其厌恶机器人，却接受了上司指派给他的新搭档，“脑子”有点问题的多瑞安，他，或者说“它”，是一名过时的机器警察，他的程序让他的行为更像人类，甚至在某些方面比约翰·肯尼斯更像。
《机器之心》的剧情发展主要集中在两名男主角的关系上，这种基情可以用Bromance（Brother+Romance）来描述，人与机器的矛盾在本剧中找到了最佳的解决方案。
科幻教父J·J·艾布拉姆斯和他的“坏机器人”'
最初见到J·J·艾布拉姆斯工作室“坏机器人”（Bad Robot）的标志还是在2004年的《迷失》片尾，一只红色的长着方形脑袋的机器人用童音喊着“Bad Robot”。坏机器人工作室位于洛杉矶大区的圣莫妮卡，在公司入口有着三个单词，“Are You Ready？”似乎在提醒每一个踏入他地盘的人，“你确定你准备好了吗，你准备好迎接J·J脑中的异想世界了吗？”对于一些刚刚踏足好莱坞寻求工作机会的编剧，制片人来说，这个问题背后的压力可能会更大，“Are You Ready？”这一问题也许会让他们在面对J·J的时候更加紧张，如今的坏机器人已经是《星际迷航》、《星球大战》两大重量级科幻电影的诞生地。在与J·J·艾布拉姆斯的12分钟对话中，除了《机器之心》外，我们还谈到了他的其他计划。
Q：影视圈
A：科幻教父J·J·艾布拉姆斯
Q：你认为未来的世界会是怎样？乌托邦式的社会还是一团糟？
A：我可能会乐观一些，《机器之心》和我最开始的设想有一定的距离，我不会盲目乐观，但我认为未来社会还是光明的，作为一个浪漫主义者，我乐于相信事情会往好的方向发展。
Q：能否给我们透露一下，在《机器之心》中，有哪些故事会让观众心潮澎湃？
A：《机器之心》最大的特点在于这些人物不仅仅让你开心，他们之间的感情与矛盾不会简单地落入俗套，最大的特点在于对于未来的思考。和许多科幻题材的电视剧一样，观众可能能够猜到之后的剧情发展，他们会自认为“我知道编剧想说什么”。《机器之心》的粉丝们或许也会有这种似曾相识的感觉，但是主角们自身所处的环境和情形都是独一无二的，我保证会让观众耳目一新。打个比方，就像你看到了一种新型武器，你并不熟悉这种武器，但是你心中知道它很危险，甚至致命，你会很小心地接触它，并且不希望它落到坏人的手中。有可能是一颗突如其来的子弹，也有可能是一剂毒药让人发疯，或者是一种超级强大的有机生物体。这种不熟悉的感觉会带来一定的恐惧，也会带来一定的依赖性。
Q：每次电视上出现J·J·艾布拉姆斯的名字时，人们都会问到“他现在这么忙，究竟能在电视剧集上投入多少精力”。
A：我永远会在需要的时候出现。好消息是这部剧集拥有很棒的制作人J·H·怀曼，《机器之心》是他的主意，他负责整部剧集的核心制作部分。我最开始听到这个故事时觉得很精彩，如果不是他，我可能会去执导第一集。这么说吧，我并不是他们的保姆。我们会在被需要的时候完成自己应该担任的工作，读剧本、做笔记、看最终的剪辑成片，我们会做到最好。
Q：《机器之心》中，有哪些元素来自于你的想法？
A：整个故事来源于我们不停的商讨切磋中，很多细节都在一次又一次的对话中慢慢落实，有些片段和场景的设定很难说是出自谁的主意。当怀曼和我谈起这个故事时，我兴奋得不能自己。当我还是孩子的时候，《无敌金刚》（The Six Million Dollar Man）是我的最爱，李·迈杰斯（Lee Majors）扮演的史蒂夫·奥斯汀（Steven Austin）就是我的偶像。我们在电话上聊了很久，经常会有好的想法蹦出来。
Q：有没有电视网拒绝了这部剧集？
A：那是当然，我们向电视网负责人介绍故事的构想时，他们一般会说，“很好，但是我们不需要”。这个过程很自然，他们的拒绝也有充分的理由。每个电视网都在寻找他们感兴趣的剧集。我宁愿找到一个真正对科幻题材感兴趣的电视播出平台，而不是表面上说“好的”，但实际上并不重视这部剧集的电视台。
Q：除《机器之心》外，你还有一部以机器人为主角的科幻剧集《未来世界》（Westworld） 即将在HBO播映，能否为我们介绍下这部电视剧集和电影的区别？
A：《未来世界》和《机器之心》一样，都涉及到机器人，机器与人的矛盾。乔纳·诺兰（Jonah Nolan）和丽萨·乔伊（Lisa Joy）正在撰写剧本，我们有一些非常棒的主意，现在还不能透露给你，但我保证这个故事一定会让人惊奇。
Q：漫威影业旗下的《神盾局特工》（Agents of S.H.I.E.L.D.）和其电影有着一系列非常好的互动，是否想过要重新开发《星际迷航》的电视剧集呢？还是说《星际迷航》系列电影的制作开发会影响剧集的重制？
A：《星际迷航》的电视剧版权在CBS电视网手中，我记得他们曾经表示，《星际迷航》有大量的粉丝基础，当时机成熟时这一系列会有更多的可能性，只是目前还不感兴趣。
Q：你现在的项目几乎都在同时进行，电影、电视多方面都有涉猎。有没有什么题材或者故事是你特别感兴趣的，比如詹姆斯·邦德？
A：有几个剧本我十分看好，现在正在最初的制片过程中。这些故事在概念上是全新的，并不是系列电影的续集。我发现自己经常过早地涉足于一些项目之中，这些故事有的只是一个高度概念化的形象，有的还尚未成型。但是我认为自己非常幸运能够参与其中，现在我只能说自己十分期待这些故事与观众见面，这些故事原创程度很高，并不基于目前的系列电影。
《危机边缘》制作人J·H·怀曼继续涉足科幻题材'
Q：影视圈
A：J·H·怀曼
Q：《机器之心》中的约翰其实也不是100%的人类，他有一条合成腿，对于这个事实约翰能否心甘情愿地接受呢？
A：约翰·肯尼斯是一个很有趣的角色，他内心十分抵触现世的高科技，他认为高科技导致了人性的丧失，他认为少了这些机器人世界会更加美好。他在享受高科技给他带来的便利之时，比如防弹背心等等，对于人与机器的合作仍然心存疑虑。约翰只能注视着这一切，强迫自己适应这个新的世界，逐渐他意识到自己的生存与这些机器人无法分割，一方面他看不起这些机器人，另一方面他还要学着去信任机器人。这是一个人物内心的转变，最终约翰开始意识到科技本身并不可怕，取决于人类如何去使用科技。
Q：《機器之心》这种高度概念化的剧集是否会让观众望而却步呢？首播集的剧情如果是一部电影的话一定也很受欢迎。人们或许会想，《机器之心》如果放在有线台或者Netflix播出会不会更好？
A：FOX对于《机器之心》的题材很感兴趣，之前与他们合作的《危机边缘》也是科幻题材，与FOX的合作非常愉快。至于故事本身，《机器之心》的确是一个“爆米花”性质的主意，《危机边缘》也是一个科幻故事，和《机器之心》相比，其概念更加严肃，故事也更加激烈。FOX与《危机边缘》的合作很棒，为如今的《机器之心》奠定了非常好的基础。
Q：把约翰·肯尼斯的上司设定为女性的想法从何而来，这个决定是否与莉莉·泰勒本身有关？
A：的确如此，最开始我们的想法是由一名男性来扮演警长，我们的选角导演艾普尔·韦伯斯特提出“莉莉·泰勒如何？”然后我们开始意识到这种可能性。莉莉是一名很棒的演员，我们都是她的粉丝。约翰有一名女上司一定会很有趣。把一个男性的设定投射在女性身上并不是很难的事情，拥有莉莉是一件很幸运的事，我们都很喜欢她，最终结果大家都很满意，她很好地刻画了一个有血有肉，具有很强管理能力的女强人。
Q：当《机器之心》完成选角之后，你的剧本是否有一些改动？
A：有改动，我们通常都会根据演员的特色加入一些新的内容，至少我是如此，这种变化只会让故事变得更好。在润色过程中，你会发现有一些效果是你之前想要，但是在演员没有确定之时，让你无法施展能力。《机器之心》的创作过程也是如此，在确定演员的过程中有很多灵感纷纷涌现，我们会因为演员具体形象的出现为故事增加新的元素。
Q：有哪些其他的科幻作品影响了《机器之心》的创作？
A：之前的《危机边缘》对我影响很大，科幻剧集意味着全体主创人员必须做很多调查与研究，结果通常会影响剧集的故事走向。当你逐渐意识到科技的力量，边缘科学的双刃剑性质时，你会对科技倍加小心，现实社会中也是，有很多危险人物利用科学导致恶性事件的发生。这些道德上的思量让我把工作重心转移到对科技应用的伦理层面上，这样一来，我们的故事就具有一定的深度和广度。人们总是设想未来世界会怎样，在《机器之心》里我们提出了这个设想，我们也希望能够回答这个问题，而这一过程与《危机边缘》有着千丝万缕的关系。
Q：《机器之心》在设定上和1982年的经典之作《银翼杀手》有相似之处，这部电影对你有哪些影响呢？
A：在我看来，任何科幻题材或多或少都从《银翼杀手》上获得过灵感，这就好比你在一间布满精确科学仪器的房间中很难做到不留下任何痕迹。《银翼杀手》是我最喜爱的电影之一，它承载了很多内容，对年轻时的我有着很深的影响。如今我希望《机器之心》也是一个具有深度的故事，我想通过这部剧集表达自己的思想，我想让人们意识到人与机器之间存在着一种微妙感情。这些故事背后的层面都是一个创作过程。
四方脸动作男星 新一代萌神卡尔·厄本'
卡尔·厄本再次回归动作戏让他的影迷惊喜连连，在《星际迷航》中有着精彩表现的卡尔总觉得自己的扮相过于文绉绉，如今在《机器之心》中他又能拿起高科技武器与坏人过瘾地厮杀。再次担纲男主角也给了他很多有趣的经历。
Q：在众多科幻故事中，你最喜欢哪个机器人？
A：《银翼杀手》中的达丽尔·汉纳（Daryl Hannah），她简直太美了，还有肖恩·杨（Sean Young）扮演的复制人瑞秋（Rachel）。你最喜欢哪个？
Q：你觉得对约翰·肯尼斯来说，他要花多长时间才能真正接纳一个机器人？
A：好问题。设身处地为约翰想想，他昏迷了两年之久，醒来后他发现自己身上多了一条机械腿，他发现一直支撑自己情感世界的女友竟然是他的敌人。他的整個世界几乎崩溃了，他受伤，他愤怒，他对新的世界充满恐惧，他对自己的所作所为感到愧疚，所有这些情感在他身上集中爆发。约翰·肯尼斯就是这样一个矛盾的人，他想拿回自己丢失的东西。
Q：除了他的腿。
A：对，他的机械腿是一个无法抹去的印记。
Q：《机器之心》的首集已经播出，主题很严肃，故事很正经，但其中也有很多搞笑的段子。在这两者之间找到平衡点是不是一件很难的事情？
A：一点都不。就像我之前在圣地亚哥动漫展上所说的那样，J·J·艾布拉姆斯集结了一帮非常有趣的人，我们在一起配合得非常完美。J·J是我见到的最聪明的影视专业人士之一，我们之间有着良好的化学反应，我迫不及待想让观众也看到这种良性的化学作用。
Q：《机器之心》最吸引你的地方是什么？
A：角色之间的关系，我的角色约翰·肯尼斯是一个有着悲剧过去，一脸严肃的家伙，而约翰的搭档则是轻松欢乐，有时候有点恼人的机器人。对我来说，两名男主角的感情变化是整部剧集的重心。他们之间的互动，互相学习，互相信任，这种方式非常吸引我。这种情感背后的积淀很深厚，随着故事的进行只增不减，有时也会以一种轻松幽默的方式呈现出来，十分有趣。
Q：接下来的故事和首播集会有很大的区别吗？仍然是一集一个案子吗？
A：基本上还是遵循一集一个案子的节奏，但是整部剧集具有很强的原创性。整个故事设定在并不遥远的未来，所以没有太重的科幻感，有些类似于人们心中对未来的幻想，我们把这些想法搬上了银幕，加上一些有趣的调味料。观众在首播集中看到的元素在接下来的剧集中仍然会反复出现，但每次出现都会是全新的方式。两名欢喜冤家是剧集的核心，看他们在一起工作、斗嘴是很有趣的事情。第一集中观众看到了大量的打斗，第二集中我们有性感的机器人，之后我们还会有很多新鲜的东西。
Q：你为《机器之心》留出了多久的档期？如果这部剧集常红，你可能会有一份四年、五年甚至六年的长期角色……
A：如果我对这部剧集没有信心，我不会与他们签约。J·J·艾布拉姆斯和他的团队非常棒，他们一起制作出了像《双面女间谍》（Alias）、《迷失》这样的经典剧集。我认为《机器之心》具有十足的潜力。如果《机器之心》能获得五季的签约，我只能说求之不得。不论这部剧集的寿命有多长，我都会做到最好，我都会百分百地投入到每一天的工作之中。和这些优秀的同事在一起，创作出自己为之骄傲的作品，让我每一天都过得有意义。
Q：我记得你曾经说过自己并不介意那种“存在感”的缺失，如今《机器之心》一周一集，你如何看待这种新的存在感？
A：我会祈祷这部剧集的成功，所有人都希望《机器之心》能够热播，如果我们如愿的话，我将不会是之前那个默默无闻的小毛头了。《星际迷航》上映之后很多人已经能够认出我，这是一件好事，不再被人遗忘。
Q：《星际迷航3》也已经提上日程了，你和J·J·艾布拉姆斯也已经合作了多次，《机器之心》和《星际迷航3》在日程上有冲突吗？
A：《星际迷航》是一个非常有趣的世界，和剧组成员在一起的每一天都让我开心，目前来看是要根据J·J的安排来制定下一步的计划，但我保证观众们一定会继续支持《星际迷航》这个电影系列。
迈克尔·伊雷：拥有醉人微笑的蓝眼睛黑皮肤帅哥'
在《机器之心》中迈克尔·伊雷扮演的机器人更像是一名有血有肉的人类，他十分擅长这类角色：《执法双雄》（Common Law）中的搞笑警探，《像男人一样思考》（Think Like A Man）中的居家男孩，《傲骨贤妻》（The Good Wife）中的滑头律师……这名来自于马里兰的演员近年来在电影电视圈内十分活跃。
Q：影视圈
A：迈克尔·伊雷
Q：当你接到《机器之心》剧组的邀请时，什么地方最吸引你，是整部剧集的概念，还是多瑞安这个角色？
A：我觉得是这个角色多一些，我看到剧本时觉得这个故事非常好。与怀曼第一次见面时我们讨论的内容都是关于多瑞安这个角色，你能想象吗，这一见面持续了3个小时，我从来没和别人聊过这么长时间。我感觉到了他的热情，他的组织能力，他对这部剧集的渴望，我觉得接下来的5年，我都会把自己奉献给《机器之心》。
Q：扮演一个机器人和一个有血有肉的人类，两者之间有什么区别吗？
A：区别还蛮大的，作为一个演员，你需要把自己的背景故事和直覺投射到你的角色中去，你所扮演的角色有着属于自己的过去。扮演多瑞安机器人时，最难的事情就是他没有任何过去，他只是一个依照程序设定的机器人，和约翰不一样，多瑞安没有自己的生活经历，所以他很好奇，对约翰的过去好奇，对人类的感情好奇，在《机器之心》里面，多瑞恩的角色承载着“观察者”的作用。
Q：为《机器之心》你做过体能训练吗？有没有学一些新的动作招式？
A：现在还没有涉及到这方面的训练。我在《黑夜传说》（Underworld）中曾经吊着威亚飞来飞去，可以横穿整间屋子，应该是我做过的最难的事情了。
Q：除了《机器之心》以外，你还有什么新的作品即将和大家见面吗？
A：2014年情人节档期有一部《风流昨夜》（About Last Night）上映，是1986年同名电影的重制版本，明年暑假《像男人一样思考2》（Think Like A Man Too）也会上映，另外在《最后的维加斯》（Last Vegas）中我会有一个客串的小角色。
Q：关于《机器之心》你有什么想和观众分享的心得吗？
机器—机器通信 篇7
多智能体系统(Multiagent System,MAS),作为分布式智能控制研究的一个重要分支,涉及精密机械、机电一体化、传感、无线通信、图像处理与识别、决策规划、多智能体协调和自组织学习等诸多领域的前沿研究和技术融合。而小型足球机器人系统,作为MAS的一个典型应用,工作于动态变化和不断竞争的环境下,是一种较为复杂的多智能体系统。系统任务的完成需要多个机器人之间的协作。而协作必然就需要在多个机器人之间进行通信[1]。
这种动态变化和强烈竞争的竞赛环境,对通信的要求有:实时性:如何高效地进行通信;鲁棒性:如何提供系统通信的可靠性和抗干扰能力;可移植性:如何将硬件、软件进行模块化设计,以适应硬件和软件的不同接口,让无线通信系统具有一定的适应性。
基于以上的需求分析,本文提出了一种基于ARM和DSP技术,有基础设施建设的小型足球机器人无线通信系统的基本架构,并分别对小型足球机器人系统的主控单元和各个执行体无线通信部分进行了软、硬件设计。整个系统硬件设计稳定、接口丰富,软件设计灵活;通信的有效性和可靠性有保障,通信的实时性和自适应性也较好。
1 设计思路与系统架构
1.1 设计思路
机器人通信方式与机器人的应用场合,也即是通信需求密切相关。目前,机器人的通信方式主要分为:
黑板模式 即一段公共的存储区被多个机器人共享,它们可以对这段存储区进行写入和读取。这块公共的存储区,就像黑板一样被多个机器人所使用。
联邦模式 多个具有一定共性的机器人组成一个联邦,再由不同的联邦构成整个机器人通信系统。联邦内的通信直接在联邦内进行传输;联邦间的通信由每个联邦的中继点像网关一样进行转发。
广播方式 一个机器人发送,多个机器人接受。
点对点方式(Point to Point) 一个机器人发送,被授权的机器人接收。
黑板模式让多个机器人共享一段存储区,简化了通信模式和控制的设计,但是必然会引起通信竞争,需要信号量对存储区进行互斥控制和优先级管理。联邦模式将整个通信系统进行分级管理,可以获得很高的效率;但是一般只适用于密度较大、分布较广的多机器人系统。广播的洪泛常常使得通信阻塞。而点对点方式,通信效率比较高,节省频带。此外,通信系统的设计还需考虑最大可能地抑制通信间的干扰,保证通信的高效性和可靠性。这一点,常常通过频分多址(FDMA)、空分多址(SDMA)、码分多址(CDMA)技术实现,而不采用时分多址(TDMA)。因为时分多址会引起激烈的竞争[2]。
正是基于以上的设计思路,一个高效、可靠的小型足球机器人无线通信系统要求其物理层尽可能降低干扰;同时为了实现所需的通信模式,要求通信系统硬件接口丰富、软件设计实现灵活;通信系统的实时性能满足小型足球机器人竞赛的要求[3]。
1.2 系统架构
系统框图如图1所示。小型足球机器人系统包括:主机端:完成机器视觉和决策规划;通信部分:保障无线通信的高效性和可靠性;足球机器人端:识别和分析接受到的命令数据,完成比赛动作。
这种无线通信系统架构的优点如下:
(1) 主机通信功能的实现采用了ARM7-LPC2114芯片,其体积小、功耗低;运行时钟较高;片上外设和接口丰富,便于系统功能的扩展;软件开发支持C语言,便于程序的模块化设计,提高软件设计的速度,并从软件上提高系统的健壮性;支持在其上移植嵌入式操作系统(如μC/OS,μCLinux,VxWorks等),可以更方便地嵌入现有的网络通信协议和应用程序,降低了嵌入式系统设计实现的复杂度,增强了系统的可扩展性和稳定性[4]。
(2) 足球机器人本体通信功能的实现采用了DSP-LF2704芯片,其数字信号处理能力较强,便于进行实时处理,甚至可以进行简单的视频编、解码,以实现要求不太复杂的机器视觉实时处理;片内流水线作业,多个控制和运算部件并行工作;片上接口比较丰富,甚至可以将足球机器人通信和电机驱动、控制的功能在一片DSP-LF2704中完成,使得系统复杂度降低,稳定性得到提高[5]。
这两种系统协同工作,发挥各自的优点,以达到整体系统的最优设计,满足比赛对足球机器人通信系统的要求。
2 系统硬件设计
2.1 通信模块的选型
作为无线通信的空中接口,通信芯片的选型会直接地影响到系统通信的高效性和可靠性。通过对系统无线通信需求的分析,本系统选定板载Nordic公司nRF2401芯片的PTR4000模块作为无线数据收发模块[6]。
PTR4000无线数据收发模块,工作于2.4 GHz全球开放ISM频段;采用GMSK调制,抗干扰能力强;125个频道,满足多频点通信和跳频通信的要求;内置硬件CRC检错和点对多点通信地址的控制[7]。
硬件设计方面,PTR4000工作电压范围为1.9～3.6 V,与ARM7-LPC2114,DSP-LF2704的I/O口3.3 V TTL电平是兼容的。此外,为了提高PTR4000引脚的驱动能力,采用了一片74HC244缓冲器作为隔离。PTR4000的四种工作方式由引脚PWR,CE,CS控制,如表1所示[8]。
使用PTR4000之前,需要在配置模式下对它的120 b的配置字进行配置。此后,便可使其进入发射/接收模式,进行正常的数据发射和接收。不需要进行数据发射和接收时,可以使之工作在待机模式或掉电模式。PTR4000的配置以及数据的发射和接收都可通过SPI接口完成。
此外,PTR4000的工作频率为2 400～2 524 MHz,有125个频道可选。射频工作频率的计算公式为:
Channel Frequency=2 400 MHz+RF_CH*1 MHz
其中:RF_CH为所选的频道号,取值范围为[0,124]的整数。据此,本系统便存在两种可选的通信方案。
(1) 频分多址方式:
不同足球机器人的通信模块采用不同的频道。多个足球机器人同时不同频地工作,提高的通信的效率而不会产生信道上的冲突。在频道资源的允许下,隔频使用,加宽使用频道间的隔离带,可以进一步降低信道间的干扰。
(2) 跳频方式:
根据系统要求,设计合适的跳频图案,降低外来干扰。足球机器人在竞赛过程中,难免有各种各样的人为和非人为的干扰。跳频系统的扩频处理增益和抗干扰的概率或效率公式为:
Gain=B2/B1=N; P=1/N;
式中:B1,B2分别为跳频前后的带宽。由此可知,跳频技术能够大大提高通信系统抗干扰的能力。综合比较两种方案:第一种频分多址方式实现简便;第二种跳频方式性能好,但是其实现的系统开销也大,可能会影响通信的实时性。所以,本文选择第一种方案作为主要的通信方式,第二种方案为备用方案。
2.2 主机端通信硬件设计
主机端通信硬件设计,采用了Philips推出的LPC2114作为主控芯片。该芯片采用ARM7内核,基于精简指令集(Reduced Instruction Set Computing,RISC),总线宽度为32位。时钟可通过PLL(Phase Lock Loop)对外部时钟进行倍频,可实现最大为60 MHz的CPU工作频率。片上通信外设有2个标准的UART,2个SPI接口和1个I2C接口。该芯片支持“在系统编程”和“在应用编程”两种编程模式。此外,该芯片采用双电源设计,CPU内核电压范围是:1.65～1.95 V,I/O操作电压范围是3.0～3.6 V;支持空闲和掉电两种低功耗模式,功耗非常低[9]。因此,采用LPC2114作为主机端通信的主控芯片,外围电路简单,系统可靠性高。
主机端通信硬件系统,作为联系主机和底层足球机器人的纽带,其主要任务是接受、缓冲主机发给底层足球机器人的数据;监控和测试通信的信道;根据信道的特性,对缓冲的数据进行成帧处理,进行信道编码,以保证传输的可靠性。
主机端通信嵌入式系统的总体框图如图2所示。主控芯片采用双电源低功耗设计,所以电源上使用L7805,LM1117T-3.3和LM1117T-1.8三种稳压芯片,以满足系统对I/O口和内核电压的不同要求。系统时钟由外接无源11 MHz晶振通过片内的PLL倍频后产生。芯片编程下载ISP方式,通过UART串口即可完成,节约开发成本。系统的人机接口,使用数码管显示和行列式键盘输入。数码管显示用户自定义的数字信息,可以让用户了解通信系统是否工作正常,以及系统的工作状态如何;行列式键盘输入,在调试时,可以让用户进入特定的调试状态,输入所需的命令,切换通信系统的工作状态,已达到现场快速调试的目的。通信部分:主机发送来的信号为典型的232电平,须经MAX3232转换为3.3 V的TTL电平后,才能由主控芯片的UART接受。其次,经过主控芯片成帧、信道编码后的数据,需要通过数据收发模块PTR4000,发送给各个底层足球机器人。数据发送模块PTR4000与主控芯片的SPI接口都工作于3.3 V的TTL电平,两者兼容,可以直接相连。但是为了提高PTR4000引脚的驱动能力,所以在它们两者之间用74HC244加以缓冲,以保证通信的可靠性。
2.3 足球机器人端通信硬件的设计
足球机器人端通信硬件的设计,采用TI公司推出的TMS320LF2407作为主控芯片。该芯片采用低功耗设计,片内有32 KB FLASH程序存储器,片上外设丰富,有串行通信接口(SCI)、串行外围接口(SPI)、PWM波发生器、模/数转换接口等,非常适合既涉及通信又涉及控制的应用场合。
足球机器人端通信硬件系统,主要负责对主机发送的数据进行接收,其包括对接收到的数据进行信道解码;对解码后的数据进行拆帧处理,提取有效的信息;必要时,需要向主机应答。
足球机器人端通信的硬件系统,与主机端通信系统基本类似。其采用了+5 V和+3.3 V的双电源设计;外接15 MHz有源晶振倍频;外扩64 KB程序存储器,64 KB数据存储器;使用SPI接口,经74HC244缓冲,从PTR4000模块接收数据。此外,因为LF2407片上有丰富的控制外设,所以电机运动控制算法也可以在LF2407上完成。这样可以使得外围电路设计简化,系统复杂度降低,稳定性提高。
3 系统软件成帧和信道编码设计
嵌入式系统软件的设计,首先需要调试所要使用的片上、片外硬件资源的功能和性能;其次,将基本的硬件操作代码,封装成基本的驱动库,供高层的算法所调用。本系统主机端和足球机器人端的软件都采用C语言开发,方便代码的维护和移植。其重点在于如何设计各通信链路的帧格式,以提高传输的高效性;如何设计简单的信道编、解码方法,以在实时性得以保证的情况下,提高传输的可靠性。
3.1 各通信链路的帧格式设计
本系统通信链路基本分为三个部分:从主机到ARM7-LPC2114主控芯片;从ARM7-LPC2114主控芯片到无线通信模块;从ARM7无线通信装置的无线通信模块到DSP无线通信装置的无线通信模块。各链路的帧格式如图3所示。
第一部分链路都是有线通信,通信环境较好,加以屏蔽措施后,还可以进一步减少外界的干扰。此外,因为主机端的通信命令是不断产生的,所以即使存在极少量的通信差错,也是可以忍受的。据此,为了降低系统的复杂度,未对这部分链路的通信进行信道编码。
第三部分无线通信模块之间空中接口的通信环境,会因为无线信道的变化和足球机器人的运动而变得十分得恶劣。因此,这一部分的信道编码是必要的。首先,PTR4000无线通信模块板载硬件8/16位CRC(Cyclic Redundancy Check)功能;其次,ARM7-LPC2114主控芯片完成用户自定义的软件编码的工作。如果使用PTR4000的硬件CRC功能只能对第三部分链路进行信道编码;如果使用ARM7-LPC2114主控芯片进行软件编码,信道编码的对象是第二、三两个部分的链路。
3.2 信道编码的设计
由于无线通信模块PTR4000具有硬件CRC功能,通信信道软件编码方案为一种自适应编码方式:当通信环境较好时,只依靠硬件CRC进行差错的校验,或者在硬件CRC的基础上加入简单的奇偶校验;当通信环境较为恶劣时,在ARM7无线通信端采用(7,4)线性组合码和奇偶校验,进行信道编码。对于第二种方法,如果信源序列为:
分别对高4位和低4位进行(7,4)线性组合编码和奇偶校验后,产生如下的编码:
A5～A3是对S7～S4的线性组合编码,X1是对它们的奇偶校验;A2～A0是对S3～S0的线性组合编码,X2是对它们的奇偶校验。接收端接收到数据后,采用与生成矩阵相对应的检验矩阵进行解码和纠错。这样一种自适应编码方式是对编码有效性和可靠性之间矛盾的一种有效的协调。
4 结 语
基于ARM和DSP技术,有基础设施建设的小型足球机器人无线通信系统,融合了ARM处理器外设接口丰富、系统功能设计实现灵活和扩展能力强,以及DSP处理器数字信号处理能力强、便于实时处理的特点;为实现通信的有效性和可靠性,为通信各条链路设计了合理的数据帧格式和自适应信道编、解码方案。此套小型足球机器人无线通信系统的足球机器人端通信设备已成功于中国科技大学F-180 Robocup小型足球机器人系统中,在调试和比赛环境中均表现出了较高的通信质量和可靠性,帮助球队取得了不错的成绩。
参考文献
[1]WANG Zhi-gang,ZHOU Meng-chu,ADHOC Ansari N.Robot wireless communication systems[J].Man and Cyber-netics,2003,33(3):521-528.
[2]WANG Jin,PREMVUTi S,Tabbara A.A wireless media access protocol(CSMA/CD-W)for mobile robot based dis-tributed robotic systems[J].Robotics and Automation,1995(5):2885-2891.
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[4]周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[5]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M].北京:机械工业出版社,2003.
[6]陈景航,杨宜民,李健桢.足球机器人无线通信子系统的研究[J].电路与系统学报,2006,11(1):147-150.
[7]钟碧良,张祺.足球机器人通讯系统的可靠性分析与设计[J].微电子学与计算机,2003,20(1):17-19.
[8]Nordic.Nrf2401user manual[R].[2009-04-22].http://share.eepw.com.cn.
机器—机器通信 篇8
语音是人类进行信息交换的一种最便捷的方式, 近些年来随着Internet技术的发展, 通信网络正逐步向IP演进。开放的IP网络应用平台, 能更快地支持新业务, 融合先进通信技术, 为用户提供内容丰富、价格低廉、可靠性高的语音和数据服务。与此同时, 在机器人研究领域, 实现人机交互, 使机器人能够更好的服务于我们, 成为当今研究的热点。
VoIP (Voice over IP) 技术是将语音业务通过压缩编码处理, 封装为标准的TCP/IP数据包, 再经过IP网络传输, 最后在接收端解码解压缩回复成原来的语音信号, 数据包从远端路由到目的端, 不需要专门线路, 从而大大降低费用[1]。
本系统设计的VoIP通信系统, 其总体目标是, 遵循当前主流的VoIP通信协议, 设计一个简单的VoIP通信系统, 此系统包含服务器和总段两部分, 同时终端又分为Windows系统的PC机和嵌入式系统的嵌入式微处理器两种类型, 最后通过设计的VoIP服务器, 使得PC终端之间, 嵌入式终端之间, 以及PC终端与嵌入式终端之间都能够实现语音通信, 在这个实际的系统的基础上, 将其移植到机器人平台也具有一定的可行性。
JVoIPLIB 是一个用 C++ 语言实现的 VoIP 库, 目前已经可以运行在 Windows、Linux、FreeBSD、Solaris、Unix和VxWorks 等多种操作系统上[2]。
综上可知, 将该系统应用到机器人端是可行的, 经测试, 可以实现人机交互通信。
1 VoIP的基本原理
VoIP是通过Internet/Intranet等互联网络来传递语音通信的, 该系统包括终端设备、网关、多点接入控制单元 (MCU) 等部分。其基本原理是:通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理, 然后把这些语音数据按TCP/IP标准进行打包, 经过IP网络把数据包送至接收端, 再把这些语音数据包串起来, 经过解码解压处理后, 恢复成原来的语音信号, 从而达到由互联网传送语音的目的, VoIP的基本传输过程如图1所示[3]。
2 通信系统的设计
本系统设计的VoIP通信系统, 其总体目标是, 遵循当前主流的VoIP通信协议, 设计一个简单的VoIP通信系统, 此系统包含服务器和终端两部分, 采用P2P (Peer-to-peer) 网络传输模型。语音通信是VoIP通信系统最基本的必备的功能, 也是主要功能。语音通信包括音频的采集和播放、语音编解码和语音传输三个部分的内容。这是本系统设计的重点也是难点。
2.1 音频的采集和播放
Windows中, 可以应用MCI函数很容易的实现音频采样及播放, 但MCI函数是出于比较高层得函数, 在易用的同时, 也牺牲了一些灵活性[4]。本设计采用的是Windows音频API函数。这些函数允许应用程序直接与音频驱动程序通信, 以管理声音的播放和录制。
2.2 音频的压缩实现
在语音实时通信中, 为了节省带宽, 人们希望在保证语音质量的前提下, 语音编解码器能用更低的速率来传输语音采样。G.729是ITU于1995年制定的编码速率为8kb/s的共轭结构码激励线性预测声码算法标准。能够实现很高的语音和很低的算法时延, 被广泛地应用于数据通信的各个领域[5]。
2.3 语音传输的实现
在VoIP系统中, 基于UDP的RTP协议主要是用来携带语音编码载荷, 完成语音通信的目的。该系统的发送与接收流程如下:
发送:获得接收端的IP地址和端口号→创建 RTP 会话→指定 RTP 数据接收设置→RTP 会话默认参数→发送流媒体数据
接收:获得用户指定的端口号→创建RTP会话→设置接收模式→接受RTP数据→检索RTP数据源→获取RTP数据报→删除RTP数据报
3 机器人端的移植
3.1 概述
机器人相当于一个移动电话, 远在外地的用户可以通过身边的电脑 (配有麦克风和扬声器) 以及浏览器, 以机器人做为媒介和身处家中的亲人进行语音聊天。
机器人主要依赖于Jthread, Jrtplib, Jvoiplib 三个开源免费和跨平台的程序类库。其中, Jthread一个基于操作系统底层平台多线程类库的面向对象实现, Jrtplib是根据RFC 1889协议标准完成一个面向对象实现。Jvoiplib在Jthread和Jrtplib基础之上开发完成的一个P2P的跨平台的VOIP (voice over IP) 程序。
该系统是一种基于Web的语音交互系统, 其框架结构如图2所示。
3.2 硬件及软件需求
①机器人端扬声器与麦克风。
②用户PC端扬声器与麦克风。
③机器人端需要具有公网可访问地址的无线网络环境。
④远程用户端PC有可访问公网的网络环境以及浏览器。
⑤Jthread Jrtp Jvoip 库
3.3 接口与实现
(1) 构造语音类
首先, 构造函数, 进行语音聊天必要的初始化工作;其次建立与ip:port的P2P连接;最后, 结束语音聊天。具体的构造函数如下:
Class Speech
{
Speech () ;
void start (int ip, int port) ;
void stop () ;
};
(2) Start函数实现
该函数主要是创建和撤销会话, 相关函数接口如下, 系统的界面控制图如图3所示。
//设置输入采样率 8000
sessparams.SetInputSamplingRate (8000) ;
//设置输出采样率8000
sessparams.SetOutputSamplingRate (8000) ;
//以EightBit方式对输入采样信号编码
sessparams.SetInputSampleEncodingType (JVOIPSessionParams::EightBit) ;
//以EightBit方式对输出采样信号编码
sessparams.SetOutputSampleEncodingType (JVOIPSessionParams::EightBit) ;
//采样间隔20ms
sessparams.SetSampleInterval (20) ;
//用声卡来进行语音输入
sessparams.SetVoiceInputType (JVOIPSessionParams::SoundcardInput) ;
//用声卡来进行语音输出
sessparams.SetVoiceOutputType (JVOIPSessionParams::SoundcardOutput) ;
//采用ulaw方式进行压缩
sessparams.SetCompressionType (JVOIPSessionParams::ULawEncoding) ;
//允许自己向自传输
rtpparams.SetAcceptOwnPackets (true) ;
//端口号为5000
rtpparams.SetPortBase (5000) ;
sessparams.SetTransmissionParams (&rtpparams) ;
//如果已经开启了一个JVOIP的Session, 停止创建工作
if (JVOIPSession::IsActive () )
{
std::cout<<"Active Quit"<<std::endl;
return ;
}
//创建
int status=JVOIPSession::Create (sessparams) ;
if (status < 0)
{
std::cout<<JVOIPGetErrorString (status) .c_str () <<std::endl;
return ;
}
//开启与 destip:port 之间的语音聊天
int destip = ntohl (inet_addr (ip.c_str () ) ) ;
status = JVOIPSession::AddDestination (destip, port) ;
if (status < 0)
{
JVOIPSession::Destroy () ;
std::cout<<JVOIPGetErrorString (status) .c_str () ;
return;
4 测试结果
在本机器人远程操作中, 典型的数据包的大小有两种, 一种是控制命令, 大小为10～100字节;一种是压缩图像包, 大小约为8k字节。做了三组测试, 以不同的发送时间, 目的地址, 包大小, 发送总次数, 发送时间为参数, 统计延迟情况如表1-3所示 (约定:延迟时间单位是毫秒, 包大小单位是字节, 往返时间超过1000秒, 将认为该包超时) 。
5 结束语
基于Web的实时语音传输系统在网络机器人控制系统中得到了较好的应用, 为了远程用户和机器人端提供了一种实用的交互方式。但系统在运行中存在一定时延, 丢包等现象, 如果进一步改善影响语音质量这些参数, 可以更好的提高PC终端和机器人终端之间的交互式语音应答。
参考文献
[1]秦霞, 基于H.323的VoIP通信系统的应用研究与实现[D].天津:天津工业大学, 2005.
[2]Jori Liesenborgs.JVOIPLIB (v1.4.1) programmer’s manual.[EB/OL]. (2005-10-20) .http://research.edm.uhasselt.be/jori/jvoiplib/jvoiplib-ma-nual-1.4.1.pdf.
[3]黄永峰, 等.IP网络多媒体通信技术[M].北京:人民邮电出版社, 2003:224.
[4]郭丽芳.基于VoIP技术的PC-to-PC电话系统的研究与实现[D].太原:中北大学, 2006.
机器—机器通信 篇9
管道机器人是特种机器人的一个分支,可进入管道完成管道检测、清洁、维修、维护等方面的作业[1~4]。目前,许多国家开展了管道机器人的研制工作。德国的Dipl.-Ing.Andreas Zagler开发了管道爬行机器人,重量为20kg,八足爬行,驱动能力15kg,采用直流供电方式。俄罗斯的TARIS公司研制了多个系列管道机器人系统,用以完成地下输水管道的检测、清理[7],这些管道机器人的能源供给和对外通信采用拖缆方式。日本横滨国立大学Chi Zhu等人于2000年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人[8],该机器人适用于管径为200mm的管道。2000年,在国家“863”计划资助下,邓宗全教授研制成功了X射线探伤机器人[9],该机器人以有缆方式供电。管道机器人大都采用有缆方式进行能源供给和对外通信,在一定程度上限制了管道机器人的作业距离。
无缆方式的管道机器人以携带蓄电池或燃油发电机组的方式实现能源供给,导致管道机器人的体积过于庞大,从而大大增加了机器人本体的重量。这种方式的管道机器人所储存的能量有限,因而机器人的动力不足,行走距离也受限制[5,6]。同时无缆管道机器人对外通信也只能采用无线方式,由于管网的错综复杂,管道会对无线信号产生很强的屏蔽作用,从而造成管道内机器人的失控。由于无缆机器人在能源供给及对外通信上存在着明显的缺点,很多场合下,管道机器人采用有缆方式。
虽然有缆管道机器人的作用千差万别,但其结构基本相同,如图1所示。其中,管理服务器与测控主机位于管道外,二者距离较近,通过RS232或USB接口进行通信。测控分机与执行机构位于机器人小车上,在执行任务时进入管道内。测控主机向分机发布命令(此命令也可来处管理服务器),同时接收来自测控分机的状态信息,通过运算,然后对分机下达精确的指示。测控分机收到命令后,通过执行机构控制机器人小车的运行、作出执行任务所需的相关动作。
传感器向测控分机传递管道机器人的状态信息。当管道机器人在管道内作业距离较远时,管道外的测控主机与机器人小车上的测控分机相距较远,二者间的通信主要基于长距离串行通信模块如RS485进行。这种通信方式需要独立的串行通信线,因此测控主机与测控分机间的线缆内除了包含电源线外还包括串行通信信号线。当机器人行走距离远、管道转弯较多时,线缆与管壁的摩擦力会变得很大,从而严重限制了机器人作业时的最大行走距离,同时使机器人的可靠性降低。为了克服上述缺点,本文将电源线载波技术用于管道机器人的通信系统,线缆内电源线与串行通信信号线共用,大大减轻了线缆的重量及线缆与管壁的摩擦力,提高了管道机器人的可靠性,增大了其作业时的最大行走距离。
1 载波芯片选择
电源线载波通信是利用电源线作为信号的传输媒介,不需要单独的信号线,将信号通过载波方式从电源线进行传输的技术[10]。
为简化应用并提高载波通信的可靠性,国内外许多公司开发了电源载波芯片。国内科强电子技术公司开发的KQ-100F载波芯片模块可用于低压直流电源线载波,接收灵敏度好,性价比高。该芯片内置RS232接口,可在多种传输速率下传输,在传输波特率9600 bps下,传输距离保证为300m[11]。由于采用该芯片进行载波通信,通信软件的编程可按RS232方式进行,适宜于现有软件的移植,因此本管道机器人通信系统采用KQ-100F芯片进行信号的载波通信。
2 硬件设计
采用Atmel公司的ATmega16A单片机与KQ-100E模块连接,用半双工通信方式进行串行通信。KQ-100E模块负责将TTL电平信号转换后调制到电源线上和从电源线上解调出TTL电平信号。
KQ-100E模块的TX脚接单片机的TXD脚用于发送数据,RX脚接单片机的RXD脚以接收数据。KQ-100E模块的R/T脚为接收/发送控制端,接单片机的某一管脚。R/T为高时,模块处于接收状态;R/T为低时,处于发送状态。模块内有防过压和防瞬变抑制电路,以防过电压和雷电对模块的损坏。VAA端为发送功率电源,VAA接不超过18 V的直流稳压电源,具体电源电压的高低视距离远近或干扰的大小而定。若距离远或干扰大VAA端接低压,反之则接高压。为了减轻VAA端所接电源对载波模块的干扰,在该电源与模块的VAA之间串接一只10m H的电感,在VAA与地之间接100p F的电容。
图3给出了测控主机中载波部分的电路图。24V直流电源由管道外的开关稳压电源提供,该电源变压后给电路提供12V及5V的电源。测控分机载波部分的电路图与此图相似,KQ-100E模块的C1、C2导线既为测控分机提供电源也是测控主机与测控分机之间的信号通道。测控分机载波部分的电路图不再给出。
3 软件设计
3.1 通信协议
由于只有一个测控主机与一个测控分机,所以可以制定简单有效的通信协议以满足通信要求。采用数据包的形式组织数据,以包为单位进行数据的对外发送。每个数据包都有固定的格式,由起始码、长度码、类型码、数据、校验码、结束码等组成。起始码是每一包数据的引导头,用0FFH、0AAH表示;长度码是当前数据包的总长度,占一个字节。数据包的类型有两大类,分为命令信息包和应答信息包,由类型码来区分,占1个字节。当发送方发出命令信息包后,必须在规定时间内收到应答信息包,否则重发。若类型码为0FAH或0FBH,该数据包为应答信息包,表示所接收的信息正确或错误。当类型码为0FAH、0FBH以外的字符时,表示该数据包为命令信息包,具体是什么命令可根据需要进行定义。校验码是数据包的校验标志,是本数据包数据部分的所有字节进行异或后的结果,用以检验数据包发送后的正确性。结束码是每一包数据的结束标志,用0FFH、0EEH表示。命令信息包的格式如表1所示。当类型码为应答信息码时,为应答信息包,其格式与命令信息包相似,不再给出。
3.2 通信流程
测控主机与测控分机都可以发送或接收数据。为了避免主机与分机同时发送数据,当发生冲突时(得不到对方响应),测控分机暂停1个时间间隔(如10个指令周期)再发送,测控主机不用暂停直接重发。测控主机与测控分机的主程序首先要进行串行通信的初始化设置,数据包的发送通过调用发送子程序进行,而接收则通过单片机的中断方式进行。在主程序中采用中断方式接收数据,可避免漏接数据,同时当没有数据需要传送时,正常运行程序的其他部分,从而提高了系统的实时响应能力。
当没有数据需要发送时,测控主机与测控分机的KQ-100E模块的R/T端皆设置为高电平,模块都处于接收状态。当一方要发送数据时,先置其R/T为低,串行输出一个数据包,该数据包发送完毕后,发送方把本方模块的R/T端置高,设为接收状态。测控分机的发送数据子程序流程如图4所示,发送时先置KQ-100E模块为发送模式,然后将待发送数据以数据包的形式进行发送,发送完后置KQ-100E模块为接收模式,若在规定时间内(不同的命令等待时间可不同)收不到应答信息,延时50us重发。测控主机的发送数据子程序流程与测控分机的相似,不同之处是收不到应答信息时直接重发,其流程图不再给出。测控主机与分机的接收数据中断程序流程相同,如图5所示。其中,接收方根据所收数据包的校验码正确与否,设置相应的类型码,连同发送方所要的数据打成一个数据包并回复,然后返回主程序。若发送方所收应答包的类型码为0FBH,则再次调用发送子程序重发。
4 结论
由于无缆管道机器人在供电及通信上存在着明显的缺点,很多场合下,管道机器人采用有缆方式。而有缆管道机器人当在管道内行走距离远、管道转弯较多时,由于线缆长度增加、重量增大,线缆与管壁的摩擦力会变得很大,严重影响了管道机器人作业时的最大行走距离及其可靠性。本文将KQ-100E电源线载波调制解调模块用于机器人的载波通信系统,从而实现了线缆内电源线与信号线的复用,设计了系统的硬件与软件,完成了软硬件测试,并在中央空调风管清洁机器人系统中进行了应用。应用结果表明,该通信系统大大减轻了线缆与管壁的摩擦力,对增大有缆管道机器人的最大行走距离、提高其可靠性,具有非常显著的作用。
参考文献
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[2]Sadovnychiy,S.Correction methods and algorithms forinertial navigation system working inside of pipelines[C].Electronics,Robotics and Automotive MechanicsConference.2007:625-630.
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机器—机器通信 篇10
随着工厂自动化水平的提高,工业机器人在数控机床领域的应用越来越多。服务数控机床的工业机器人大体上分为上下料和换刀机器人两大类。这些机器人首先要获取数控机床上下料和换刀等信息,信息经控制系统处理后输出控制信号控制执行机构执行相应的动作。数控机床和工业机器人的可靠信息传输对机器人的整体功能尤为重要。近年来无线通信技术得到了迅速的发展,无线通信在工业控制领域应用也日趋广泛,本文以服务于数控机床群的上下料机器人为例,介绍了一种基于Zig Bee技术的上下料机器人与数控机床群的无线通信系统,并通过实验验证系统信息传输的可行性。
1 系统概述
系统为Zig Bee星型网络,在网络中Zig Bee终端设备为数控机床群,Zig Bee协调器为上下料机器人。终端设备通过传感器获取机床上下料信息并将信息发送至空中,协调器从空中接收到上下料信息,将信息显示在液晶屏上,并通过RS232串口发送至机器人控制系统。系统运行过程分为五个阶段,分别是协调器建立网络阶段,终端设备加入网络阶段,终端设备数据发送阶段,协调器数据接收阶段,协调器串口数据发送阶段。为了避免终端发送数据时的竞争和冲突,Zig Bee协议的媒体访问控制层采用CSM/CA接入算法,同时媒体访问控制层支持确认的数据传输模式,要求每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,如果传输中出现问题可以进行重发,从而建立可靠的数据通信模式。
2 系统硬件设计
2.1 数控机床端硬件设计
数控机床端的硬件系统包括传感器模块和Zig Bee模块两部分,传感器模块的作用是获取数控机床的上下料信息,Zig Bee模块的作用是将传感器获取到的信息通过无线方式发送至Zig Bee协调器。
传感器模块采用霍尔测转速传感器,它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路,其输入为磁感应强度,输出是一个数字电压信号。霍尔测转速传感器用以测量机床主轴的转速,而主轴的转速又代表了机床的上下料信息,转速为零表示机床需要上下料,转速不为零表示机床不需要上下料,因此霍尔测转速传感器可以获取机床上下料信息。
Zig Bee模块采用深圳飞比电子科技有限公司生产的Zig Bee开发板,该板由CC2530芯片和一些外围器件组成,板上有LED、按键和RS232接口等资源。数控机床端的Zig Bee模块是星型网络的终端,它与传感器模块直接连接。霍尔测转速传感器输出的脉冲经过电平转换后输入CC2530,通过编程记录输入的脉冲数目,如果在一定的间隔时间内脉冲数目不再增加,则认为机床主轴停止转动,此时Zig Bee终端将发送上下料信息给Zig Bee协调器。
2.2 机器人端硬件设计
机器人端硬件由Zig Bee模块和串口模块组成,Zig Bee模块为整个星型网络的协调器,它负责建立网络接收数控机床端Zig Bee终端设备发出的上下料信息,并将信息通过RS232串口模块发送至机器人控制系统,模块上的的液晶屏也同步显示接收的信息。实验用PC代替机器人控制系统,用RS232串口将Zig Bee模块和计算机相连,在PC上显示机器人控制系统收到的上下料信息。
3 系统软件设计
Zig Bee协议栈是一种基于优先级的轮转查询式操作系统,系统软件设计就是在协议栈的基础上根据任务的需要开发应用层程序,将应用层程序和协议栈整合后植入芯片便可实现系统的功能。系统软件包括数控机床端和机器人端软件设计两个部分。数控机床端软件的主要功能是记录霍尔传感器输入的脉冲数目,在一段时间内记录的脉冲不再变化时就认为主轴停止,此时调用发送函数将上下料信息发送出去。机器人端软件的主要功能是接收终端发来的上下料信息,当收到上下料信息时便调用函数将此信息发送给串口。
4 实验测试
实验系统由三个Zig Be模块、霍尔传感器和PC组成。三个Zig Bee模块中有两个为Zig Bee终端,一个为Zig Bee协调器,它们共同构成星型网络。实验通过按键模拟机床工作状态,按键按下表示终端正在发送机床上下料信息。Zig Bee协调器PC由RS232接口相连,在PC上显示收到的上下料信息。
5 结论
实验现象表明上下料机器人和数控机床群之间建立了星型无线通信网络,Zig Bee终端通过霍尔传感器获取机床的上下料信息并将信息传输给Zig Bee协调器,协调器将收到的上下料信息显示在液晶屏上,并同时将信息由RS232串口传至机器人控制系统,整个系统实现了数控机床群和上下料机器人之间的信息传输。
参考文献
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机器—机器通信 篇11
这个机器人的形象和以往的机器人大不相同，它看起来就像一只通体透明的小章鱼，且身体两侧共有八根弹性超强，会有规律、自主弯曲的机械臂，启动时仿佛真的章鱼正悠闲地挥舞着触角。
机械章鱼的不同之处在于它的控制系统。设计者们脑洞大开，改变了传统以电作为动力，而是用3D打印技术构建了一个气动网络。他们先在章鱼形状的模具中倒入了有机硅聚合物，又在聚合物中注入一种特殊的墨水，这种墨水可以在聚合物中保持形状和位置。加热后，墨水蒸发，留下了内部的通道。
和普通的电子回路不同，在机械章鱼的回路里传递的不是电子，而是液体和气体。它大大的脑袋里面，有两个储存过氧化氢水溶液的小房间。水溶液在旁边振荡器的调节下会流出，进入身体里的反应室，在铂基催化剂的催化下，过氧化氢水溶液会分解出氧气。这些气体因压力被挤到章鱼的触角中，柔软的触角膨胀舒展，实现了机械臂的运动，剩余废气将从排气孔中排出。
研究者把简单的化学反应与软性材料相结合，得到了惊人的效果。但怎样保证机械章鱼体内的化学燃料能持续使用一段时间，而不是在反应中一次性消耗完呢？由罗伯特带领的研究团队为此煞费苦心。
由于压强的变化，有些机械臂的阀门会打开，剩余的则会关闭，以此保证同一时间内只有一部分机械臂流通燃料。随着燃料的消耗，先运动过的机械臂内压强下降，使得燃料转向另一部分原本关闭的通道。在阀门开关的巧妙作用下，燃料來回流通，确保了机械章鱼在一段时间内的自主运动。
启动机械章鱼需要人工协助，研究者将过氧化氢水溶液注入后，便开启了上述过程。罗伯特表示，这只可爱的小章鱼机器人的制作材料成本不到3美元，目前机械章鱼只有4～8分钟的“生命”，还有待继续改善。
机器—机器通信 篇12
足球机器人属于机器人的一个分支, 通过制造和训练机器人来代替人类进行足球比赛。智能足球机器人大赛是将人们喜爱的足球运动和人工智能领域多智能系统结合的产物, 是由实物机器人或仿真机器人参加的足球赛, 比赛规则参照国际足联制定的人类足球赛规则, 并就智能足球机器人的一些特点进行了相应的修改[1]。机器人足球赛从一个侧面反映了一个国家的信息与自动化领域的基础研究和高技术发展水平[2]。
目前, 国际上有影响力的机器人足球比赛分为两大系列—FIRA和Robocup。本研究所论述的系统所应用的F-180小型足球机器人是RoboCup活动的一部分。小型足球机器人系统包括视觉、决策、无线通信和机器人车体4个子系统。机器人子系统是整个系统的执行机构, 其性能是比赛取胜的一个关键因素[3]。建立一支好的球队需要精巧的设计, 整合硬件及软件系统, 使之具有强大的功能。目前小型组机器人正在向更高的技术发展, 其趋势表现在使用更快的处理器, 试图在材料技术上创新, 人工智能和感知正在进一步发展[4]。
目前国内有几十家单位参加了机器人足球比赛的研究。第1、第2代小型足球机器人的运动控制子系统CPU采用PIC, 第3代以后采用DSP。现阶段世界上足球机器人小车的控制系统主要基于传统的SOC系统, 主控制器主要采用DSP控制, 其运算速度快、成本较低。但是这些基于SOC的设计方案在整个电路的复杂度和设计等方面存在很多的缺点, 在电路方面, 需要增加很多的芯片和分立元件, 增大了体积, 功耗较大, 也不利于系统的硬件升级。
本研究采用FPGA作为主控制器, 以SOPC的设计方法进行设计, 嵌入NIOSⅡ处理器。SOPC解决方案允许设计者在通用的FPGA里嵌入MCU软核以完成片上系统的集成, 为现代电子产品设计带来了更大的灵活性[5]。FPGA不仅具有体积小、运算速度快的特点, 而且内部有丰富的触发器和I/O引脚, 支持可擦除式编程, 能够反复使用, 并且它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的, 既解决了定制电路的不足, 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。本研究利用FPGA的硬件可编程的特点, 将各个功能模块在FPGA内部与机器人小车的NIOSⅡ控制器进行连接, 从而简化系统的设计, 减小系统的体积, 也便于对硬件进行修改、仿真以及系统的升级[6]。
1 小型足球机器人通信子系统的通信协议
无线通信子系统是机器人控制系统的一个重要组成部分, 其通信性能的好坏将严重影响到机器人的运动和比赛的顺利进行[7]。为了提高通信质量和通信效率应精心设计通信系统, 重点是无线收发器电路的设计和通信协议的制定。小型足球机器人无线通信子系统结构图如图1所示。
智能小型足球机器人的通信是固定在赛场边的决策主机和场上移动智能小型足球机器人之间的双向无线通信, 由主机发射, 智能小型足球机器人接收。因此通信系统采用广播方式实现一对多的通信, 所有机器人采用统一的通信频率, 而发给不同机器人的命令则根据各自的地址码加以区分。只有当小车上PTR4000无线通信模块接收到与本机设定的相同的地址码时, 才会认为本次数据包是发送给本机的, 并开始接收后面的数据。当PTR4000接收完数据包并经硬件CRC校验正确后, 输出高电平, FPGA就可以读取数据了。
2 新型无线通信子系统的硬件设计与实现
2.1 发射模块的硬件设计
发射器采用AT89S52单片机实现编码和对通信模块的控制。AT89S52具有8 KB在系统可编程Flash存储器, 片上Flash允许程序存储器在系统可编程, 亦适用于常规编程器[8]。
无线通信模块选用PTR4000, PTR4000基于挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体芯片nRF2401开发, 采用全球开放的2.4 GHz频道, 可满足多频及跳频需要;内置硬件CRC检错;支持多点间通信, 可满足GMSK调制, 最高传输速率达到1 Mbit/s, 抗干扰能力强;低功耗1.9 V～3.6 V工作;内置2.4 GHz天线[9];可通过软件设计地址, 只有收到本机地址时才会输出数据, 编程也很方便。
单片机需要与计算机串口通信, 选用芯片RS232收发器MAX3232进行电平转换。单片机的工作电压是5 V, 其他芯片的工作电压是3.3 V, 因此在单片机与PTR4000之间需要进行电平转换, 选用稳压芯片AMS1117-3.3进行分压。
发射模块硬件电路设计图如图2所示。
2.2 接收模块的设计
接收器在每个机器人小车上, 设计中采用FPGA器件作为机器人小车的主控制器, 开发板选用Altera公司生产的CycloneⅡ系列芯片EP2C5Q208C8N, 其硬件资源包含有4 608个逻辑单元LE, 26个M4K RAM块, 119 808个RAM位, 13个嵌入式18×18乘法器, 2个锁相环, 最大可用I/O管脚142个[10]。配置芯片选用EPCS1, 具有1 MB的存储容量, 可以满足大部分程序的容量需求。
FPGA与PTR4000连接结构图如图3所示。
本研究利用QuartusⅡ的SOPC Builder能够方便地构建一个基于FPGA的SOPC系统, SOPC Builder的系统库中包含了一些常用的NiosⅡ外围设备等构成SOPC系统[11]。本研究的硬件开发采用Verilog HDL语言设计, FPGA与PTR4000的接口电路除了SPI接口之外, 还要增加一个DR输入中断;另外还包括配置接口CE、CS、PWR用来配置PTR4000的工作模式;以及用来跳频的4位拨码开关和设定机器人编号的4位拨码开关, 其接口电路如图4所示。
图4中:CLK, RESET_N是NIOSⅡ处理器的时钟和复位脚;DR、MISO、MOSI、SCK 4个管脚是FPGA与PTR4000的SPI接口;CE、CS、PWR是PTR4000的配置接口;FRE[3..0]是4位拨码开关, 用来选择比赛中我方队伍的通信频率;NUM[3..0]是4位拨码开关, 用来设定机器人队员的车号。
此外, 该系统设计了多种存储器, 以避免可能出现的空间不够情况, 也便于后续升级对存储空间的需求。包括:增加SDRAM, 如果软件程序超过了FPGA所能定制的最大RAM容量, 可以把程序放在SDRAM中运行;增加Flash, 如果程序超过了配置芯片EPCS1的容量, 则程序可以保存在Flash中。SDRAM芯片选用HY57V641620, 容量为8 MB;Flash芯片选用AM29LV160, 容量为2 MB。
FPGA外围电路结构图如图5所示。
3 系统软件设计
无线通信程序主要是指与PC串口相连的无线发射器和连接在足球机器人上的无线接收器。PTR4000配置接口由CS、CE、PWR组成, 控制PTR4000的4种工作模式:配置模式, 发射/接收模式, 待机模式, 掉电模式。发送或接收数据由DATA、CLK1、DR1 3个接口作为通道, 其中DR1仅在接收模式下使用, 输出中断信号。
3.1 发射器流程
系统上电后, MCU首先对系统进行初始化配置。配置过程主要有:对寄存器变量初始化, 设置波特率、开启中断, 对SPI接口进行初始化;MCU开始配置PTR4000模块, 通过对CS、CE、PWR的设置把PTR4000模块设为配置模式, 然后通过通道1的DA-TA、CLK1将配置数据输入PTR4000。配置完成后, MCU通过配置模式将PTR4000设为接收模式, 设定CE=1, PTR4000进入工作模式。
当上位PC机通过串口发送数据包时, 系统进入中断服务子程序。首先MCU通过串口通信接收上位机的数据包, 保存在MCU存储空间;如果没有全部接收完, 继续接收数据;全部接收后, 对数据进行编码、封装, 并把接收的数据标志位置为高电平。
在主程序中, 系统处于中断等待状态, 每次循环都检测接收数据标志位。若检测到高电平, 本研究设定CE=0, PTR4000启动内部处理并通过发射天线将数据发送出去。全部数据发送完成后, 本研究将接收数据标志位设为低电平。
3.2 接收器流程
接收器在每个机器人小车上, 机器人小车内核芯片采用FPGA控制, 通过PTR4000接收的数据直接进入FPGA, 由FPGA解码, 从而做出决策和控制信号。接收器流程图如图6所示。
机器人小车通过无线通信系统接收上位机发送的指令, 当收到的标识与本机标识一致, 则开始接收后面的数据。当PTR4000接收完数据包并经硬件CRC校验正确后, 会在其DR1引脚输出中断指示, 并通过DATA、CLK1引脚送出相应的数据及同步时钟, 触发FPGA中断读取数据, 小车执行该命令。
4 无线通信系统的测试
为了调试该系统无线通信模块硬件设计方案是否正常运行, 测试的方法是用主机控制FPGA主控板上的两个LED灯交替闪烁。
实验原理:添加软核NISO II, 构建一个简单的SOPC系统, 在CPU里面运行控制程序, 使两个LED灯交替闪烁。主机通过发射器发送数据10或01, 接收器将接收到的数据保存, 并驱动LED。发送数据10时, LED0亮;发送数据01时, LED1亮。
实验过程:在QuartusⅡ里对工程进行编译, 下载线USB-Blaster连接到Flash下载口下载, 如图7所示。
下载线用USB-Blaster下载, 下载模式为AS模式, 下载进度是100%, 说明下载成功。下载信息如图8所示, 表明下载成功。
实验结果表明:无线通信功能是正常的。
本研究采用新型无线通信系统, 不仅能满足机器人比赛中无线通信的要求, 且能增加比赛系统的稳定性, 有利于机器人小车在足球比赛中发挥更好的性能。
5 结束语
本研究主要介绍用FPGA设计小型足球机器人无线通信部分架构, 以及FPGA外围部分电路结构。目前小型足球机器人运动控制系统已经升级到第五代, 即采用FPGA作为运动控制子系统的CPU。但是对于足球机器人整个底层电路部分, 想要实现基于FPGA的SOPC系统设计, 还需要作更进一步的研究与探讨。
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