择要：先容了一种用于RobocupF-180小型组足球机器人角逐的无线通信体系的计划。包罗发送端跟接收端体系的硬件计划跟实现及其软件设计。给出了一种顺应于这套体系的通信协议，包罗物理层的编码计划、纠错编码计划跟帧结构设计。

足球机器人是一个极富挑战性的下技术密集密集型名目，融小车机器、机器人学、电机一体化、单片机、数据融会、精密仪器、及时数字信号处理、图像处理与图像识别、常识工程与专家系统、决议计划、轨迹计划、自组织与自学习实际、多智能体调和和无线通信等实际跟技巧于一体，既是一个典范的智能机器人体系，又为研讨开展多智能体体系、多机器人之间的协作与反抗供给了生动的研讨模子。它经由过程供给一个尺度使命，使研讨职员应用各类技巧取得更好的解决方案，从而无效增进各个领域的开展。其听实际与技巧可使用于工业生产、自动化流水线、救济、教导等理论范畴，从而无效鞭策国度科技经济等方面的开展。机器人足球从一个正面反应了一个国度信息与自动化范畴的根底研讨跟高技术开展程度。

现阶段，国际上有机器人足球比赛分为两大系列——FIRA跟Robocup。本文所要阐述的体系所使用的F-180小型足球机器人角逐就是RoboCup系列中使用较普遍的一种。

F-180小型足球机器人足球比赛的示意图如图1所示，角逐单方各有5名机器人小车正在场上。足球机器人体系正在硬件设备方面包罗机器人小车、摄像安装、计算机主机跟无线发射装置；从功用上分，它包罗机器人小车、视觉、决议计划跟无线通信四个子系统。此中无线通信体系是跟尾主机跟底层机器人不成短少的一环，它必需保障从主机端到机器人底层之间的数据传递是靠得住的，从而使得机器人比力可能顺遂流利停止。因为角逐单方皆有多个机器人同时在场地上跑动，要求无线通信有必然的抗干扰性。无线通信体系的机能相当程度上间接影响着机器人的场上显示。

1体系的计划及实现

角逐中从摄像头去的视频信号颠末计算机处置惩罚之后失掉节制小车用的数据信息，而无线通信体系的就是将这些数据信息实时精确天投递场上的每一个机器人小车，体系采取播送方法，各机器人依据特定标记辨认发给本人的有用数据，从而停止决议计划与行为。全部体系的框图如图2所示。

1.1发送真个硬件计划

发送端次要用PIC16F877单片机实现编码跟对发射机的节制，计算机经由过程串行口发送数据，颠末PIC16F877编码后再经由过程PTR3000无线通信模块将数据发送进来。所采取的PIC16F877单片机是Microchip公司推出的8位单片机。采取RISC指令系统跟哈佛总线结构，最高运转的时钟频次可达20MHz，因此指令运转速率快。它有很宽的工作电压规模，可间接与3.3V的PTR3000无线通信模块共同利用。

TR3000无线数据收发模块是一种半双工收发器，采取NORDIC公司的nrf903无线收发芯片，工作频率采取国际通用的数传频段ISM，频段915MHz，工作频率可以正在902MHz～928MHz可变。采取GMSK调制，抗干扰能力强，特殊得当工业节制。灵敏度下，到达-100dBm，最大发射功率+10dBm，工作电压为2.7V～3.3V。它最多有169个频道，可满足需要多频道的场所，最高数据速度可达76.8kbps。因此完整可以知足小型组机器人通讯的数传速度与距离的须要。

本体系中PIC16F877就是采取20MHz的时钟旌旗灯号，可能知足即时收发数据和编码的须要。全部体系中包括两种电源，无线通信模块的电源为3.3V，而MAX232又须要+5电源。信号线的毗邻也要思量两种电平的婚配问题，正在需要的处所要加上电平转换电路。

起首单片机要吸收来自计算机真个数据，计算机串口输出的旌旗灯号颠末MAX232由232电平转换为TTL电平。可是因为单片机采取3.3V电平，因此MAX232输出的旌旗灯号需颠末电平转换才气输入单片机，电平转换可以采取TI公司供给的典范电平婚配电路，也可采取74LVCXX系列逻辑门来转换。

单片机经由过程自带的异步串行口输出数据到PTR3000通讯模块。因为nrf903芯片吸收跟发送数据共用一个引脚，因此须要其他电路来解复用。最简略的方式就是正在单片机的TX引脚先接一个10kΩ的断绝电阻，再与RX跟PTR3000的DATA引脚相连。可是这类方式有两个缺陷，它会形成发送的数据串入到单片机的吸收引脚中，此外发送旌旗灯号的驱动才能遭到了极大的限定。是以，本体系采取了74HC244三态缓冲器作为断绝，而且经由过程单片机的RB4节制收发形态，因此正在半双工方法下发送旌旗灯号与吸收旌旗灯号可以互不滋扰天传递。

关于通讯模块事情形态的节制次要包括表1所列的那几个旌旗灯号，经由过程单片机的平凡I/O心便可节制。表1PTR3000事情事情形式设置表

1.2发送真个软件设计

当体系复位时，单片机起首要对PTR3000无线通信模块跟16C550的寄存器停止编程初始化。PTR3000的初始化编程是经由过程同步串行旌旗灯号停止的，统共有三个旌旗灯号CFG_CLK、CS跟CFG_DATA，离别毗邻到单片机RC3、RB7、RC5引脚。PIC16F877单片机本身便有同步串行口功能模块，可是因为PTR3000的同步串行数据位为14位，并不是整数字节，并且14位数据必需一次初始化实现，是以实际经由过程平凡的I/O心编程去实现那14位的同步串行旌旗灯号更便利一些。正在全部初始化时代CS旌旗灯号必需始终为高电平。那14位初始化字的界说见表2。正在初始化同步串行旌旗灯号输出时最高无效位正在先。正在对PTR3000编程前先其形态为吸收形态以避免正在其他频次形成无线滋扰，编程实现后便可以将形态改为发射形态了。表2PTR3000初始化节制字列位界说

参数

接下来对16C550的初始化设置。因为PIC16F877自身的并行口对16C550停止初始化编程设置各个寄存器，须要留神的只是正在输出每一个字节之前先要经由过程RA0～RA2输出响应字节的地点旌旗灯号。正在初始化设置时将16C550的波特率设置低于76.8kbps，以保障吸收的数据可能经由过程PTR3000即时发送。

1.3接收端的硬件计划

接收端装在每一个机器人小车上，因为机器人小车的节制采取DSP控制器TMS320LF2407，因此正在接收端PTR3000无线通信模块便采取TMS320LF2407去节制。经由过程PTR3000吸收的数据间接输入DSP，由DSP停止解码，从而做出决议计划跟收回节制旌旗灯号。因此无线通信体系的接收端电路绝对发送端要简略得多，只需用TMS320LF2407取代发送电路中的单片机与PTR3000模块相连接便可。PTR3000的初始化编程也便由2407的平凡I/O口来实现，只不过正在初始化编程之后依旧连结PTR3000处在吸收形态。

2和谈的计划

2.1物理层的编码计划

物理层的编码计划要依据所采取的物理器件跟物理信道的特性去决意。本体系采取PTR3000无线通信模块正在吸收模块中为了取得0直流电仄便须要正在所传输的数据中逻辑“0”跟逻辑“1”的数目相等。只有知足上述前提吸收部门才会取得很下的吸收正确率。长时间余暇也会招致吸收部门的0直流电仄漂移，由于长时间的余暇实际上始终发送的是逻辑“1”。

因为PTR3000的这些特性，很天然便想到采取曼彻斯特编码（也称为数字双向码或分相码（BiphaseSplit-phase）。它采取一个周期的方波默示“1”，并且它的反向波形默示“0”。因为方波的正负周期各占一半，因此旌旗灯号中没有存在直流份量。正在异步串行通讯中有一个肇端位“0”，是以将终止位“1”长度也设为一名，如许正在一个字节共10位旌旗灯号中也便没有存在直流份量了。只是减了曼彻斯特编码之后本来一个字节的数据此刻要两个字节才气传递。图4有一些数字节，不会正在停止曼彻斯特编码之后的数据串口呈现，可是正在一个字节中也存在0直流份量的特性，也有很下的吸收正确率。那类数据字节如：0xF0、0x0F、0xCC、0x33等。从码型看来此中0xF0码型按时机能是最好的，它很简单使异步接收器到达同步而且不会产生毛病。因为0xF0的这类特性便可以用它做同步码元，正在余暇的工夫内通讯体系便经由过程始终发送同步码元，使接收端连结同步，并且也可以连结吸收模块的0直流电仄形态。

2.2纠错编码计划

为了正在有必然外界滋扰的环境下，保障次要与机器人之间的无线通信仍然不变靠得住，必需采用必然的抗干扰步伐，那可以采取纠错编码去实现。可以取舍纠错编码方案有分组码跟循环码，须要利用两字节的长度发送一字节的无效信息；分组码跟循环码，交错码、分组码跟缩短循环码、BCH码、BCH码，须要利用三字节的长度发送一字节的无效信息。

体系中利用了分组码，并正在实际中取得了较好的后果。它的组成方法以下：

假设没有做任何处置惩罚的原码格局为：

其高四位的监视码为：

其低四位的监视码为：

则编码后成为两个byte长度：

此中每一个字节的最高位作为标记位，用于默示下四位跟低四位，下四位用“1”做标记，低四位用“0”做标记。接收端经由过程检测标记停止重组跟解码。关于译码根本方式有维特比译码跟利用监视矩阵译码，可依据详细的编码方案灵巧选用。

2.3帧格局计划

普通数据帧包罗帧头、机器人标识、数据、数据校验、保存字节等内容，平常依照上面的格局摆列：

为了保障帧可能精确吸收，帧头的计划至关重要。普通帧头须要两个或两个以上的字节，而且该当取舍数据中呈现几率较低的数值跟组合。正在这个体系中可以采取普通数据中基础不会呈现的数据字节如0xF0、0xCC作为数据帧头。而别的类型的帧，则可以取舍正在0xF0之后加上别的的字0x33、0xC3、0x3C、0x0F等组成。这类帧头组合正在普通的数据中是不会呈现的，因此可保障帧同步不会犯错。场上的每一个机器人经由过程数据帧中的机器人标识去辨认属于本人的数据，因为场上只有5个机器人，因此机器人标识只占用一个字节。

这套通讯体系采取了PTR3000无线通信模块停止无线传输，并使用了单处机的编解码使这套体系事情加倍不变靠得住，使数据通信实时精确天传递到场上的每一个机器人，完整知足小型组足球机器人角逐的通讯速度跟正确率要求。这套小型组机器人通讯体系已使用于中国科技大学的F-180Robocup小型足球机器人体系中。2003年7月正在意大利进行的Robocup小型机器人足球比赛中，这套通讯体系正在存在各类通讯滋扰的环境下仍然显示出了较下的可靠性。2003年8月正在北京举行的天下机器人大赛F-180Robocup小型组的角逐中，这套通讯体系中中国科技大学一队博得了亚军。