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基于ZigBee的多机器人通信系统的设计.pdf

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信I息I科1学  科 — 技—黑信龙江思——  基于 ZigBee的多机器人通信系统的设 计  陈 飞  (重庆邮电大学,重庆高校通信 网测试技 术工程研 究中心 ,重庆 400065)  摘 要 :为解决多机 器人协作的 问题 ,设计 了可以让机 器人之 间通信的基于 ZigBee网络的方案。机器人硬件 系统 中引入 了ZigBee节点,多个机  器人依赖 ZigBee形成一个星型 网络 。实验结果表明机器人 可以可靠的通信 ,能够较大的提 高机器人的工作效率。  关 键 词 :多机 器 人 ;ZigBee;CC2430  引言 :机器人作为人类 20世纪 最伟大的  的设备信息 ,包括数据包转发表 、设备关联表 以  发 明之一 。在短短的 4O年内发生了 日新月异的  及与安全有关的密钥等。其它的普通机器人 ,使  2.4软件设计 。  2.4.1核心控制器 的软件设计 。核心控制器  变化 。随着社会生产技术的飞速发展 ,机器人的  用 的 ZigBee节点 都是 RFD设 备。 当这类 机器  的控制对象 涉及到多个输入部 件和输 出部件 ,  应用领域不断扩展 ,从 自动化 生产线到海洋资  人受到某些触发的时候 ,例如 内部定时器时 间  输入部件主要 是各种传感器 ,输 出部件 主要是  源 的探索 ,乃至太空作业等 领域 ,机器人可谓是  到了 、外部传感器采集完数据 、收到协调器要求  各种伺服 电机。所 以,CPU处 理 的任务 非常复  无处不在。然而就 目前的机器人技术水平而言 ,  答复的命令 ,就会 向协调器传送数据。作为 网络  杂 ,可以考虑 在软件设计方面采用多任务实时  单机器人在信息的获取 、处理及 控制能力等方  协调 器的机 器人可 以采 用有线 的方 式和 一 台  操作系统 UCOS。这样 ,设计 者分别 写出控制传感  面都是有限的 ,对 于复杂 的工作 任务及 多变的  Pc机相连 接 ,在 Pc机上存储 网络需要 的绑定  器和电机的任务 ,然后把这些任务按照重要性  工作环境 ,单 机器人 的能力更显不 足。由多个 机  表、路 由表和设备信息 ,减小网络协调器 的负  赋予一定 的优先级 ,让操作系统来轮流调用这  器人组成的群体 系统通过协调 、协作来 完成单  担 ,提高网络的运行效率 。  些任务 。  机器人无法或难 以完成 的工作将 是机器人发展  2.2机器人 的硬件设计。机器人 的硬件一  2.4.2 ZigBee节点 的软件设计 。.I1公司的  的一个趋 势。 目前存在 的多机器 人通信 一般采  般包含核心控制 器模块 、外界数据采集 模块 、驱  Z—Stack是 为 CC2430设计 的协议栈 ,完整的实  用有线通信 的方 式 ,尽管技 术成熟 、可靠性高 ,  动模块 以及执行 机构 。在这个设计中加入了无  现 了 zi  ee协 议 定 义 的 NWK、APS、AF、ZDO  但 由于线缆 限制 了机器人 的 移动 范 围和灵 活  线通信模块 。核心控制部分实际上是一个典型  以及 安全层 ,应用程序只需要调用相应 的 API  性 ,没能得到广泛 的应用 。zigBee网络技术是基  的 嵌 入 式 系 统 。处 理 器 采 用 Atmel公 司 的  函数 。Z—Stack的一个特点是在协议栈的基础上  于 802.15.4的无线通信协议 ,具有低成本 、低功  AT91RM9200处理器 ,它是一款工业 级的处理  实现 了一个 OSAL操作 系统 ,方便 了网络任务  耗 、低传输速 率的特点 ,并支 持星型 、树 状和 网  器 ,ARM920T内核 ,200MIPS的处 理速率 ,外围  的调度和管理 。ZigBee协调器建立新 的网络后  状等多种 网络拓扑结构 。多机器人协作 只需要  接 13丰富 。ZigBee无线通信模块 采用 Chipcon  等待其它的 ZigBee节点加入到网络。协调器不  彼此间断性的传递有限 的信息 ,并要 尽可能 的  的 CC2430。当机器人 的无线接收部分接收到命  停的监测空 中的无线电波 ,分析无线信号 ,把得  节省能量 。这种场合非常适合 ZigBee的应用 。  令 或数据 ,由 CC2430进行相应 的处理后传 送  到的命令或者数据传送 给核心控制器 。ZigBee  1 ZigBee技 术 及 其 优 势   给高速处理器 ,由高速处理器来驱动 机器人 的  终端节点初始化后 ,探 索周 围的网络 ,并加入 网  1.1 zi邸ee简介。ZigBee是一组基于 IEEE  电机部分 ,实现相应的操作。当机器 人需要 向其  络 ,然后开始监控空中的信号 。当有信号时 ,分  批 准通过 的 802.15.4无线 标准研 制开发 的 ,有  它机器人 或者 PC机发送命令 或者数据 ,就 由  析信号帧 ,传送到核心控制 器 ;当没有 信号时 ,  关 组 网 、安全 和应 用 软 件方 面 的技 术标 准。  高 速处理器 把组织 好的数 据发送 给 zigBee节  看核心控制器有没有数据需要传送 出去 ,若有  IEEE仅处 理低级 MAC层和 物理 层协 议 ,zi  点 ,ZigBee节点再把数据组装成帧 ,从天线发送  就组织数据帧 ,没有就直接进入监控状态。监控  Bee联盟 对其 网络层 协 议 和 API进 行 了标 准  出去 。可 以采用 一台 PC机来实 现机器人 的监  空 中信 号 和查看 有没 有数 据要 发送 是 zi  ee  化 。每个协调器可连接多达 255个节点 ,而由此  测与控制 ,把需要耗 费时间和运算量 的工作转  节点要完成的两个 的任务 ,可 以采用 OSAL操  形 成的 zi邸ee网络 对路 由传输 的 数 目没有 限  移 到 PC上 来 进 行 ,提 高 网 络 的运 行 效 率 。  作系统来调用这两个任务 。  制 。ZigBee联盟还开发了安全层 ,以保证这种便  AT91RM9200采 用 串 口与 ZigBee通信 模块 连  结 语 :分 析 了机 器人通 信 的特 点 。结 合  携设备不会意外 泄漏其标识 。完整的 ZigBee协  接。当有数据需要传送的时候 ,主动方通过 串口  Zi sSee的通信特点及发展现状 ,设 计了适合机  议套 件由高层应用规范 、应 用层 、网络层 、数 据  中断对方 CPU来处理传送过来 的数据 。由于通  器人通信 的网络结构 ;并详细阐述了机器人的  链路层和物理层组成 。网络层 以上协议 由 zig_  信的数据量并不是很大 ,并且通信并不很频繁 ,  通信模块 的硬件和软件的设计。把短距离通信  Bee联 盟制 定 ,IEEE802.15.4负责 物 理层 和链  所以不会影响核心控制部分的正常运行。各种  技术应用到机器人通信上面 ,为机器人嵌 入一  路 层 标 准 。  传感器 和驱动 器作 为处理 器 的外设 和 系统 相  个无线通信 的模块 ,就像给机器人 加上了一双  1.2 ZigBee优势 。zi  ee技术是一种新兴  连。传感器采 集外界 环境 中的各种信息 ,例如温  耳朵一样 。对于机器人技术 的发展有 一定 的指  的近距离、低复杂度 、低功耗 、低数据速率 、低成  度、湿度 、亮度 。驱动 器是各种电机 ,控制机器人  导意义 。  本的无线 网络技术 ,它是一种介 于无线标记技  手 和足 的运 动 。  参 考 文 献  术和蓝牙之 间的技术提案 。主要用于近距离无  2_3通信模块 ZigBee节点 的硬 件设 计。设  『11张 海 英 。刘 祚 时 ,林 桂 娟 .群体 机 器 人 研 究 的现   线连接。一般而言 ,随着通信距离 的增大 ,设备  计 中 CC2430是 Chipcon公 司推 出 的用 来实 现  状 和.eAC.p1.电子技 术 应 用 ,2oo4(2).  的复杂度 、功耗 以及系统成本都在增加 。相对于  嵌 入 式 ZigBee应 用 的 片 上 系 统 。 它 支 持  1李明军,刘铁男,赵 秀明等.基 于 C8051F330和  现有的各种无线 通信技术 ,ZigBee技术 将是最  2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议 。根据芯片内  PTR8000的 多机 器人 无 线 通 信 系统 设 计叨.大 庆  低 功 耗和 最 低 成 本 的 技 术 。同 时 由 于 ZigBee技  置 闪存 的不同容量 ,提供 给用户 3个 版本 ,即  石油学院学报 ,2006.  术 的低数据速率和通信范 围较小 的特点 ,也决  CC2430一F32/64/128,分 别 对 应 内 置 闪存 32、64、  『31瞿 雷,刘胜德 ,胡成斌ZigBee技 术及应 用Ira].  定 了 zi邸ee技术 适合 于承 载数据 流量较 小的  128KB。CC2430片上 系统 的功能模 块集 成 了  北京:北京航空航天大学出版社,2007.  业务 。所 以 ZigBee联盟预测的主要应用领域包  CC2420RF收 发 器 、 增 强 工 业 标 准 的 8051  [4]Texas Instruments.A True System-on-Chip  括工业控 制 、消费性 电子设备 、汽车 自动化 、农  MCU、32、64、128KB 闪 存 、8KB SRAM 等 高 性   solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee.  业 自动化和医用设 备控制等。  能模块 ,并 内置 了 ZigBee协议栈 。加 上超低能  f51罗全华,李洪 ,吴凯等.基于节点阵型的机器人  2机器人通信 系统 的设计  耗 ,使得 它可 以用很 低的费 用构成 ZigBee节  足球布阵的研 究Ⅲ.微计算机信 息,2008:l_2.  2.1.系统结构。多移动机 器人通信可 以采  点。CC2430功能强大 、功耗很 低、外 围接 口丰  作 者简 介 :陈飞(1982~),男,重庆邮 电大  用 ZigBee的星型结构 。在这个 网络 中,充 当网  富、开发便利 、体 积小 ,非常适合 于机器人通 信  学在读硕 士研 究生,主要研 究方向为下一代 网  络协调器的机器人 负责组建 网络 、管 理网络 ,并  节点的应 用场景 。关 于 CC2430的硬件设计 在  络 及 通 信 网测 试 技 术 。  对网络的安全 负责 。它要存储 网络内所有节点  Chipcon的官方 网站上有详细的介绍。  责 任 编 辑 :程鹏  ●  —61— 

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