A Short-Range Infrared Communication for Swarm Mobile Robots

群移动机器人的的短程红外通讯

摘 要

本文介绍了另一种短程通信技术，适合于群移动机器人应用程序。红外用于发射和接收数据包和障碍物检测。红外用于发射和接收的数据包和障碍物检测。红外通信系统用于自主移动机器人(芬欧汇川集团-AMR)，这将成为机器人研究低成本的平台。脉冲编码调至(PCM)数字方案用于数据传输。被反射的红外信号也用于避障距离估计。机器人的行为的分析说明了使用红外信号来获得可靠的本地通信群之间移动机器人的可行性。

关键字：红外光谱;通信;PCM;群;移动机器人

1简介

机器人正在越来越多地使用在周围人的工作任务。机器人应用于办公室、军事任务、医院操作、工业自动化、安全系统、危险环境和农业等许多应用程序。群移动机器人是一种多机器人协作实现单个任务协调的新方法。每个移动机器人在群体中应该能有没有任何中央控制器控制下的自动工作。因此，移动机器人之间的通信是一项重大任务，这可允许多个机器人在群体的形式上完成复杂的行为，

自主式移动机器人(AMRs)在没有可靠的数据传输技术下不能执行编程的任务。移动机器人使用各种通信方法，如无线网络[5][6]，蓝牙超声波和红外[7-8]。每个方法有其自身的优势和不同的AMR应用程序方案的缺点。无线网络和蓝牙是室外应用不需要机器人位置和距离信息的的合适的通信方式。提供与无线通信的距离和位置信息是复杂，需要额外的硬件和软件，以解决位置估计问题[9]。

红外(IR)光是电磁波辐射的波长比可见光长。红外波长是750nm和1mm之间。它有用于许多应用，如军事、热效率、远程温度遥感、和短距离的无线通信。红外过滤器用于阻止可见光谱中的光线，受雇于接收机的包。红外划分为三个带[10]:

• IR-A:700nm-1400nm
• IR-B:1400nm-3000nm
• IR-C:3000nm-1mm

建议硬件使用波长在IR-A范围内950nm红外组件。这种波长在许多采用红外无线数据通信的短程的远程控制系统中是最受欢迎的。几个发达国家的标准适用于红外数据传输[11]并且也是多机器人通信环境中的常见方法。

在本文中，我们介绍一种基于PCM自主移动机器人的短距离通信技术。所有信息不复杂的算法就可以被调制。一些标准如IrDA和Air被定义为服务于多通道用户，而且他们使用可靠的红外传输算法，但并不适合我们使用的在短的距离的小数据包的应用程序。机器人的消息调制是用简单独特的封包格式而且他们在机器人环境中用个红外辐射广播。此外，红外信号的反馈是用来探测周围的障碍物，估计障碍物的距离。部署的机器人专为室内应用，低成本组件是一项要求。

第二节介绍了多机器人环境。第三节描述为实施推荐的通信的要求。第四节介绍了设计的体系结构。第五节介绍了实验结果。

2多机器人环境

在群机器人方案中，所有自主式移动机器人（AMR）必须能够检测环境中的其他周围的机器人。每个机器人应该能够计算的相对位置、速度、方向和距离的其他AMR。实际的动态识别的AMR取决于采用的传感器数目和类型。这些自动抄表系统执行全球行为基于每个AMR之间的通信。这些行为需要不断更新每个AMR之间基于传感器的信息。传感器和通信系统的能力是AMR公司合作的重要参数。

各种通信技术已经在多个机器人环境进行评测。几位研究人员用图像处理技术为多个AMR提供环境识别[12，13]。由于机器视觉技术的实现复杂，需要大量的计算资源。无线电通讯也用于多个AMR环境[5，6]。虽然无线电通信允许远距离通信，仍有其他的几个问题存在[14]。这些问题之一是有限的通信通道，尤其存在于有大量的AMR的工作环境。地区通信也面临着距离估计与位置太接近的问题。

本地通信技术是分布式机器人系统[15]的最合适的接君方法。在这项工作，红外设备用于实现可靠的本地通信以及传感器系统。在下面的部分中，将提出的芬欧汇川集团AMR通信需求的详细要求。

3 AMR的通讯要求

在本节中阐述了红外组件的要求、机器人控制器和通信。几个测试情况展示，本节所述所选的红外元件提供比别的应用程序更好的结果。将提出的是负责传输和接收机器人之间的红外数据包的控制器模块。负责对格式化红外数据包的通信系统已优化算法，这也是实时自主系统的必要条件。

红外组件

该方法使用两个红外组件;红外发射器和红外光敏三极管如图1所示。小塑料包装中提供这些组件。图1(a)是光敏三极管与可见光光谱滤波器，图1(b)是侧面包红外的发光二极管。

图 1.(a)红外光敏三极管(TEFT4300)，(b)红外发射二极管(TSKS5400)

TEFT-4300是一种敏感且高速的光敏三极管，查看视角宽度大约为60ordm;角特征。它是在摇杆上遥感可以实现接近于红外辐射的微秒范围的快速响应时间。此接收器的最大工作频率是180千赫，这可以为执行拟议的本地数据传输技术提供足够的波特率。

TSKS-5400是标准的用视镜塑料包装的红外发光二极管。一个小的凹球面镜头提供了改进的辐射强度峰值波长950nm。该发射器组件最大辐射功率是约为10mW，其切换时间为毫秒范围。

机器人控制器

ATMEGA168单片机被用于机器人控制器。这种芯片被采用AMR的主处理器管理红外通讯，决定任务，内存管理，并同时控制电机。

机器人主板被配备6个红外二极管和个6晶体管，如图2所示为AMR之间的通信。这种安排使得每个AMR可以向任何方向的AMR在其本地附近进行通信。每个IO工作在数字和模拟的方式，同时提供快速通信与邻近的自动抄表系统和可靠传感反射红外辐射来寻找障碍。此外，的反馈串行数据发送到PC读取内存块并在它请求时保存传感器的吸收值。AMR传感器板的结构如图3所示。

图2.移动机器人主板(60ordm;接收机拓扑结构)

图3.推荐机器人的硬件结构

通讯

AMR依靠红外进行可靠的短程通信。红外传感器也将用于障碍物检测和距离估计。两种类型的通信方式依赖于消息的重要性。这些模式是无需确认的通信。明确基于通信的模式可以在AMR之间提供可靠的数据传输。然而，这种模式需要额外的计算资源，与其他模式的比较。无需确认或广播的通信方式而是适合于高速通信的(即碰撞反应)。

数据包的大小的是数据通信可靠性的重要参数。所有通信数据数据包都使用类似的数据包格式，如图4所示。两种类型的说明供在群方案中的使用，如轨迹控制i)基本控制指令，比如读取获得的传感器和广播数据包，ii)执行全局行为的高级指令，这取决于群方案。

图4.机器人信息的结构

4可靠的红外收发器的设计

在执行多个用于AMR合作、感官系统检测障碍和其他AMR的通讯系统中，本节中讨论的一些设计决策。AMR必须能够在动态的机器人环境中检测障碍和其他AMR，防止碰撞。AMR应该能够检测到其他AMR的轨迹信息，如速度、位置和移动方向。AMR通过其他AMR的唯一定义的标识(ID)号来识别他们。通信和感官系统应该是小且低功耗以便它可以被机器人的电池驱动。

感官模块的设计

传感器可用于回应式的行为，单片机将中断例程来服务于输入。接收到的模拟信号会被微控制器的模拟到数字转换器(ADC)数字化，并被用于距离估测函数中。然后微控制器将调用函数来解码红外接收的数据包。AMR的ID包含在广播中，AMR都能够发现其他机器人和障碍，如图5所示。AMR检测障碍，当它接收到其反射的id。将由通信模块进一步处理红外数据包以达到消化和沟通的目的。

图5.检测原理: (a) 如果收到了反映来的 ID 数据包，则机器人检测障碍物， (b) 如果接收新 ID则辨认其他机器人

通讯模块的设计

每个AMR消息使用类似的数据包格式，如图4所示。广播的模式通信用于障碍物检测和与邻近的AMR共享轨迹信息。在此模式下，所有用红外发射器广播的数据都会被器件检测。

基于确认的消息通信定义为复杂的多个机器人的群体合作。短距离通信技术流程图如图6所示。基于确认的消息用来在群移动机器人定义高级指令。在这些方案中，收到另一个AMR消息后个个体AMR将传输其自己消息数据包来启动他们的连接，在定义的时间内等待确认消息。如果AMR未收到任何确认响应，连接请求将被取消。图7显示确认基于消息序列来开始两个AMR之间的新连接。

图6. 发的数据传输技术的流程图

图7.基于确认的邮件来启动新的连接

5实验结果

在几种环境如阳光下，黑暗的房间里和荧光光室进行了通信系统的测试。光线包括红外辐射和结果都明显不同于当在环境中的阳光。荧光光波长小于700nm，其结果是，荧光点燃房间的实测的值与黑暗的房间里的结果很相似。采用了黑体和白色身体障碍来评估距离估计函数。表1说明了在黑暗的房间里和间接阳光户外环境中，黑色和白色障碍的测量值。

表1. 两种环境中捕获的来自黑色和白色障碍物反射的值

图8(a)说明了从白色障碍在室内和室外环境中反射出来的红外辐射在转换后的ADC值。白色比黑色的障碍反射了更多的红外辐射。所测黑色障碍物的样品如图8(b)所示。距离估计将取决于测量到的从障碍反射的红外辐射。在此设计中，障碍物检测的最大距离是大约12厘米，误差大约plusmn;1cm。传感器的灵敏度也将取决于与发射二极管质量和电池的水平相关的发射二极管强度。

图8

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