一种自主式球形两栖多机器人通信系统及其工作方法
【专利摘要】一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于它包括球形两栖机器人、无线通讯模块和球形两栖机器人主控板；球形两栖主机器人能够对多个球形两栖子机器人控制以及编队处理。本发明采用低信噪比下基于ZigBee通信协议通信优良的特点，降低球形两栖机器人在执行探测任务的失误率，采用点对多点的传输方式，解决以往球型两栖机器人控制结构单一问题，该通信系统采用主从分级结构配置球形两栖机器人层次，提高球形两栖多机器人执行探测任务的能力。
【专利说明】
一种自主式球形两栖多机器人通信系统及其工作方法
(一)技术领域:
[0001 ]本发明属于机器人控制领域，尤其是涉及一种自主式球形两栖多机器人通信系统，主要适用于复杂及狭窄环境下机器人能自主配合完成任务。
(二)【背景技术】:
[0002]现阶段，多机器人自主控制研究已经成为机器人研究学科中一项重要的研究方向。针对自主机器人系统的控制方法，对多机器人自主控制等领域展开研究也同样是一项具有重要意义的研究工作。两栖机器人因其能实现在水中和在陆地上的两种环境中运动，这种特性使得该类型机器人具有广泛的应用前景，包括在科学探测、工业控制、军事侦查等领域。虽然现在机器人的能力还很有限，但自主式球形两栖多机器人系统研究处于迅速发展的态势，并开始对整个工业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方面产生巨大的积极影响，也同样维护了国家的合法权益。
[0003]现有的水下自主潜器/机器人和球形两栖多机器人的控制方案存在以下问题:
[0004](I)现有的水下自主航行器/机器人等多采用有缆控制，制约了机器人的机动性
[0005]现阶段，所研究的机器人直径相对比较大，不能够适应狭窄区域的环境作业，并且大多采用螺旋桨驱动，噪声相对较大，对电能的消耗同样较高，同时在对机器人的控制方面采用有缆控制，机器人有缆通信虽然能解决一些问题，但是机器人的机动性和实时作业等性能受到严格制约，并且新型球形两栖机器人通过有缆控制，在军事领域应用范围极其容易暴露目标。
[0006](2)现有的水下机器人/水下潜器以及两栖机器人大多采用点对点控制方式，控制方式结构单一，缺乏自主控制能力，尤其缺乏在复杂环境以及狭窄区域执行任务的能力。
[0007]自主式机器人控制方面的研究已经成为机器人学研究中的一个重要方向，控制方式新颖，同时具备良好的应用前景，是一种非常重要的研究方向。针对多机器人自主式控制系统的体系结构，对自主式多机器人控制方面开展研究，这是一项具有重要理论和现实意义的研究工作。
[0008]虽然国内外研究团队在球形机器人自主控制方面已经取得一些突破性进展，但研究仍然存在一些问题:I)大多数球型两栖机器人的控制结构单一，只能通过球型两栖主机器人对一台球型两栖子机器人实施控制；2)大多数球型两栖机器人在低信噪比环境受控时，及其容易出现控制信号衰弱、球型两栖子机器人控制信号丢失的现象;3)大多数自主式球型两栖多机器人系统当遇到球形两栖主机器人遭破坏、球形两栖主机器人遇狭窄空间信号传输不利、球形两栖主机器人自身电路故障等问题时系统无法工作;4)大多球形两栖机器人在执行球型两栖主机器人的任务过程中只能完成单一任务，并不能够通过协调编队的方式完成任务。
(三)
【发明内容】
:
[0009]本发明的目的在于提供一种自主式球形两栖多机器人通信系统及其工作方法，它可以解决现有球形两栖机器人大多为有缆控制的方式，且控制方式大多数为点对点的控制方式及控制结构单一等问题，是一种利用无线通讯技术的结构简单，可操作性灵活的系统，可以提高球形两栖机器人的机动性以及灵活性，且控制方法简单易于实现。
[0010]本发明的技术方案:一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于它包括球形两栖机器人、无线通讯模块和球形两栖机器人主控板;其中，所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖机器人主控板包括球形两栖主机器人主控板和球形两栖子机器人主控板;所述无线通讯模块包括主无线通讯模块和从无线通讯模块;所述从无线通讯模块和子机器人主控板安装在球形两栖子机器人身上；所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控制板相连接安装在球形两栖主机器人上;所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控板之间呈双向串口通讯方式连接，主无线通讯模块可通过串口收发的方式与球形两栖主机器人主控板收发数据;所述主无线通讯模块与从无线通讯模块之间呈双向无线通讯方式连接。
[0011]所述球形两栖机器人是仿生水陆两栖机器人，是一种在水下通过喷水电机进行喷水行进，陆地采用仿生学四足爬行运动的机器人。
[0012]所述球形两栖机器人不少于I个，所述球型两栖机器人主控板、无线通讯模块的数量与球形两栖机器人的数量一一对应;所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖子机器人部分的球形两栖子机器人可以担任球形两栖次主机器人。
[0013]所述无线通讯模块是由用于信号收发的XBee通讯模块和串口通讯转换底板构成；其中，所述XBee通讯模块安装到串口通信转换底板上即可组成球形两栖机器人无线通讯模块，再安装在每台球形两栖机器人上。
[0014]所述XBee通讯模块是基于ZigBee通信协议的通讯模块。
[0015]所述主无线通讯模块与从无线模块之间通过低信噪比通信优越的ZigBee无线通讯协议相互发送数据。
[0016]所述主无线通讯模块是协调器结构的球形两栖主机器人无线通讯模块;所述从无线通讯模块包括终端结构的球形两栖子机器人无线通讯模块和路由器结构的球形两栖次主机器人无线通讯模块;所述协调器结构与路由器结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯;所述协调器结构和路由器结构均可以与终端结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯。
[0017]所述球形两栖机器人主控板为搭载AVR单片机的球形两栖机器人控制电路，由AVR单片机和LM2596稳压模块组成;所述LM2596稳压模块的输入端正负极分别连接系统电源的正负极，其输出端的正负极与AVR单片机的电源输入端和接地端。
[0018]—种自主式球形两栖多机器人通信系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤:
[0019](I)球形两栖主机器人可以通过无线控制的方式对各个球形两栖子机器人进行控制和任务编队:
[0020]①通过配置无线通讯模块所处的层次，配置好XBee模块属性，从而配置球形两栖机器人在整个网络中所处的地位:将系统中球形两栖主机器人配置为协调器属性;将球形两栖子机器人配置为终端属性;根据侦察探测环境的需要，设定球形两栖次主机器人，并将这个球形两栖次主机器人配置为路由器属性;配置好的球形两栖主机器人无线通讯模块通过串口通信的方式连接球形两栖主机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚，配置好的球形两栖子机器人无线通讯模块通过串口通信方式连接球形两栖子机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚；
[0021 ]②自主式球型两栖多机器人通信系统在工作过程中，由于球形两栖机器人系统执行任务需要率先配置一台球形两栖主机器人作为引导，球形两栖子机器人的数量依据所需要侦查探测的环境视情况进行相应地增减；
[0022]③球形两栖主机器人在执行侦查任务的过程中如遇到复杂地形或狭窄区域，无法单独完成侦查探测任务时，需要调动球形两栖子机器人与之一起协调完成任务，并进行编队化处理，球形两栖子机器人接收并逐步执行控制指令，在执行命令的同时，向球形两栖主机器人回发接收指令，通知已完成的任务情况；
[0023](2)协调配合完成侦查任务规划，并在网络中进行编队化处理，达到球形两栖主机器人部分与球形两栖子机器人部分之间的配合:
[0024]①球形两栖主机器人在进入狭窄区域、泥泞区域以及石砾区域的复杂环境采集数据，执行侦查探测任务，球形两栖主机器人主控板的AVR单片机判定在当前环境下需要球形两栖子机器人协调配合工作，球形两栖主机器人主控板的AVR单片机会通过无线通讯模块向已备接收信息的球形两栖子机器人发送控制命令；
[0025]②当球形两栖主机器人侦测到前方区域相对狭窄不便于球形两栖主机器人单独完成侦查探测任务时，球形两栖主机器人会向球形两栖机器人通信系统发送控制指令，命令球形两栖子机器人执行未完成的侦查探测命令，这时候就需要对球形两栖子机器人进行编队处理;此时，配合球形两栖主机器人执行未完成的侦查探测命令的球形两栖子机器人为球形两栖次主机器人，它将率先担任第一队，继续完成球形两栖主机器人的任务；
[0026]③自主式球形两栖多机器人通信系统的剩余球形两栖子机器人为第二队，与球形两栖主机器人和球形两栖次主机器人进行协同配合，将球形两栖主机器人接收到的侦查数据进行转发并；
[0027]④不同小队下的球形两栖子机器人部分执行不同任务，再将采集的数据通过各自的无线通讯模块回传给球形两栖主机器人进行判定，从而达到协调配合以及主从之间的配合；
[0028](3)主从球形两栖机器人角色转换:
[0029]①自主式球形两栖多机器人通信系统在执行侦查探测重要任务时，系统中需要通过球形两栖机器人控制板的AVR单片机将每台球形两栖机器人逐一配置主次层级，层级逐渐递减由原来的球形两栖主机器人、球形两栖子机器人，变为球形两栖主机器人、球形两栖次主机器人、球形两栖子机器人，其中球形两栖次主机器人是由原来的球形两栖子机器人中划分出来的；
[0030]②系统在执行任务前需要球形两栖主机器人进行整体任务执行规划，球形两栖次主机器人可以在未接收到球形两栖主机器人控制指令时转换成为球形两栖主机器人角色，自主式球形两栖多机器人通信系统中球形两栖主机器人优先执行任务，当其在复杂狭窄环境执行任务过程中与多个球形两栖子机器人失联，从而协调器与路由器之间的联系会暂时中断；
[0031]③各个球形两栖子机器人的无线通讯模块无法接收到来自球形两栖主机器人发送的控制命令，球形两栖子机器人会主动发送指令请求命令，来判断是否受控，再次无法收到球形两栖主机器人的控制指令后启动应急措施，球形两栖次主机器人迅速充当球形两栖主机器人以协调各个从机器人来完成接下来的任务规划；
[0032]④球形两栖次主机器人通过其主控板的AVR单片机向XBee无线通讯模块发送控制指令，判定通信系统中缺乏球形两栖主机器人控制信息，AVR单片机对XBee的通讯层次进行更改，更改为协调器模式，以在系统中对各个球形两栖子机器人进行控制；
[0033]⑤脱离系统的球形两栖主机器人未能完成任务，将采用自毁程序，令单片机将内存中数据删除，该球形两栖主机器人将丢弃。
[0034]本发明的工作原理:自主式球形两栖机器人之间的通信利用在低信噪比条件下基于ZigBee通信协议的XBee模块通信状况优良的特点，针对这个特点，设计了自主式球形两栖多机器人通信系统及其工作方法，通过球形两栖主机器人对球形两栖子机器人的协调控制以达到系统的信息交互实时性，在特殊情况作业时，球形两栖主机器人利用无线通讯模块发送控制信息给球形两栖子机器人，并且能够对球形两栖子机器人进行编队处理，球形两栖子机器人在接收到控制指令后，分别执行不同的任务，在完成侦查探测后，可以将数据通过无线通讯模块传送给球形两栖主机器人以供分析。自主式球形两栖多机器人的重要特点为，系统中如果球形两栖主机器人在执行任务中与其他各个球形两栖子机器人失联，球形两栖次主机器人便可以立即充当球形两栖主机器人，为该系统提供控制信号，和担任传输节点任务。该自主式系统是基于低信噪比通信相对优越的ZigBee传输协议的自主式球型两栖多机器人控制系统。拟建立起XBee通信模块与单片机之间的系统连接，可以利用球形两栖主机器人对各个球形两栖子机器人进行点对多点的无线控制，以及实现球形两栖主机器人与球形两栖子机器人之间双向通信的特点。在未来的各大领域中可以应用该系统，能够将球形两栖机器人进行编队，实现对不同小队球形两栖机器人完成不同任务规划以及协同作业的要求。
[0035]自主式球形两栖多机器人通信系统的球形两栖主机器人通过无线的信号传输方式，控制信息分散式传递给多台机器人，实现对各个球形两栖子机器人的远程控制，以及编队控制，球形两栖子机器人受控以后能够执行球形两栖主机器人的命令，若网络中球形两栖主机器人突然断掉通讯，球形两栖子机器人部分中的球形两栖次主机器人充当主要角色继续保障对自主式球形两栖多机器人网络的控制。
[0036]球形两栖多机器人通信系统的结构组成包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分，其中球形两栖主机器人用于协调整个球形两栖多机器人网络，球形两栖主机器人通过向无线通讯模块发送控制信息，多个球形两栖子机器人同时收到命令，并执行相应的命令，当系统中球形两栖主机器人与整个系统失去联络，球形两栖次主机器人会在规定时间充当球形两栖主机器人角色，保障机器人网络正常运行。每个球形两栖子机器人旨在接收到球形两栖主机器人的命令后执行运动程序，在陆地采用仿生学四足爬行运动，水下采用直流电机喷水推进运动。球形两栖子机器人在执行任务的过程中通过加装传感器采集数据记录并保存，并发送给球形两栖主机器人;多个球形两栖子机器人可以由主机器人统一编队控制，球形两栖子机器人在进行编队处理后，增强了分组执行任务的能力，如进入狭窄空间，或分步执行不同任务。
[0037]XBee通讯模块是基于ZigBee通信协议的通讯模块，通过配置该模块的属性，能够令其担任不同的角色，XBee模块能够完成点对多点的信号传输模式，这种模式可以有效执行球形两栖多机器人自主式运动命令。各个球形两栖机器人上装有此模块，球形两栖机器人系统下的各个球形两栖子机器人能够建立起相互联系。球形两栖主机器人的无线通讯模块配置结构为协调器模式，球形两栖子机器人的无线通讯模块配置为路由器模式，配置为路由器的无线通讯模块可以同时接收配置为协调器的无线通讯模块发送的的控制信号，做到实时一发多收功能。球形两栖机器人载有无线通讯模块与球形两栖机器人主控板之间通过串口方式链接，各个球形两栖子机器人之间采用无线通讯方式连接。
[0038]球形两栖次主机器人隶属于球形两栖子机器人部分，当球形两栖主机器人与整个球形两栖机器人系统失去信号交互时，球形两栖子机器人部分的次主机器人通过机器人主控板的AVR单片机改变自身属性为球形两栖主机器人，继续完成侦查探测任务以及指挥其余球形两栖子机器人。
[0039]电池供给的12V电压不能直接连接AVR单片机，需要通过LM2596稳压模块将12V电压转换为5V电压供给单片机，电池的正负极连接LM2596稳压模块的输入端正负极，LM2596稳压模块的输出正负极连接到单片机板的5V输入和GND接地端。
[0040]本发明的优越性在于:1、采用了低信噪比条件下基于ZigBee通信协议的XBee模块通信状况优良的特点，改变了以往通信传输效率低，承载信道容量小的通讯方式，实现了低信噪比条件下的通信控制，大大降低了球形两栖机器人在执行侦查探测任务的失误率，解决了以往大多数球型两栖机器人的控制结构单一，只能通过球型两栖主机器人对一台球型两栖子机器人实施控制的问题;2、该自主式球形两栖多机器人通信系统采用点对多点的传输方式，改变了以往多机器人控制点对点的传输方式，解决了以往大多数球型两栖机器人在低信噪比环境受控时，及其容易出现控制信号衰弱、球型两栖子机器人控制信号丢失的现象的问题，大大提高多机器人作业规划的效率;3、该通信系统采用主从分级结构配置球形两栖机器人所属层次，改变以往多机器人执行任务规划时遇到不可控条件(包括:球形两栖主机器人遭破坏、球形两栖主机器人遇狭窄空间信号传输不利、球形两栖主机器人自身电路故障等问题)通信终端的问题，大大提高了球形两栖多机器人执行侦查探测任务的能力，解决了以往大多数自主式球型两栖多机器人系统当遇到球形两栖主机器人遭破坏、球形两栖主机器人遇狭窄空间信号传输不利、球形两栖主机器人自身电路故障等问题时系统无法工作的问题;4、在特殊情况作业时，球形两栖主机器人能够对球形两栖子机器人进行编队处理，实现对不同球形两栖机器人完成不同任务规划以及协同作业的要求，解决了以往大多球形两栖机器人在执行球型两栖主机器人的任务过程中只能完成单一任务，并不能够通过协调编队的方式完成任务的问题。
(四)【附图说明】:
[0041]图1为本发明所涉一种自主式球形两栖多机器人通信系统的整体结构示意图。
[0042]图2为本发明所涉一种自主式球形两栖多机器人通信系统中无线通讯模块的网络配置架构示意图。
[0043]图3为本发明所涉一种自主式球形两栖多机器人通信系统中无线通讯模块的控制特性示意图。
[0044]图4为本发明所涉一种自主式球形两栖多机器人通信系统的工作方法中主机器人的控制流程示意图。
[0045]图5为本发明所涉一种自主式球形两栖多机器人通信系统的工作方法中从机器人的控制流程示意图。
(五)【具体实施方式】:
[0046]实施例:一种自主式球形两栖多机器人通信系统(见图1)，其特征在于它包括球形两栖机器人、无线通讯模块和球形两栖机器人主控板;其中，所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖机器人主控板包括球形两栖主机器人主控板和球形两栖子机器人主控板;所述无线通讯模块包括主无线通讯模块和从无线通讯模块;所述从无线通讯模块和子机器人主控板安装在球形两栖子机器人身上;所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控制板相连接安装在球形两栖主机器人上;所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控板之间呈双向串口通讯方式连接，主无线通讯模块可通过串口收发的方式与球形两栖主机器人主控板收发数据;所述主无线通讯模块与从无线通讯模块之间呈双向无线通讯方式连接。
[0047]所述球形两栖机器人是仿生水陆两栖机器人，是一种在水下通过喷水电机进行喷水行进，陆地采用仿生学四足爬行运动的机器人。
[0048]所述球形两栖机器人不少于I个，所述球型两栖机器人主控板、无线通讯模块的数量与球形两栖机器人的数量一一对应(见图1);所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖子机器人部分的球形两栖子机器人可以担任球形两栖次主机器人。
[0049]此实施例中，球型两栖机器人为8个，分别标为1#?8#，其中1#为球形两栖主机器人，2#为球形两栖次主机器人，其他3#?8#为球形两栖子机器人。
[0050]所述无线通讯模块是由用于信号收发的XBee通讯模块和串口通讯转换底板构成；其中，所述XBee通讯模块安装到串口通信转换底板上即可组成球形两栖机器人无线通讯模块，再安装在每台球形两栖机器人上。
[0051 ]所述XBee通讯模块是基于ZigBee通信协议的通讯模块。
[0052]所述主无线通讯模块与从无线模块之间通过低信噪比通信优越的ZigBee无线通讯协议相互发送数据。
[0053]所述1#球形两栖主机器人的主无线通讯模块是协调器结构的无线通讯模块;所述从无线通讯模块包括终端结构的球形两栖子机器人无线通讯模块和路由器结构的球形两栖次主机器人2#无线通讯模块;其中，3#-8#球形两栖子机器人无线通讯模块是终端结构；2#球形两栖次主机器人无线通讯模块是路由器结构。
[0054]所述协调器结构与路由器结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯;所述协调器结构和路由器结构均可以与终端结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯(见图2、图3)。
[0055]所述球形两栖机器人主控板为搭载AVR单片机的球形两栖机器人控制电路，由AVR单片机和LM2596稳压模块组成;所述LM2596稳压模块的输入端正负极分别连接系统电源的正负极，其输出端的正负极与AVR单片机的电源输入端和接地端。
[0056]—种自主式球形两栖多机器人通信系统的工作方法，其控制特性在于它包括以下步骤:
[0057](I) I #球形两栖主机器人可以通过无线控制的方式对各个球形两栖子机器人2#-8#进彳丁控制和任务编队:
[0058]①通过配置无线通讯模块所处的层次，配置好XBee模块属性，从而配置球形两栖机器人在整个网络中所处的地位:将系统中1#球形两栖主机器人配置为协调器属性;将球形两栖子机器人3#_8#配置为终端属性;将2#球形两栖次主机器人配置为路由器属性;配置好的1#球形两栖主机器人无线通讯模块通过串口通信的方式连接球形两栖主机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚，配置好的3#-8#球形两栖子机器人无线通讯模块通过串口通信方式连接球形两栖子机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚；
[0059]②自主式球型两栖多机器人通信系统在工作过程中，由于球形两栖机器人系统执行任务需要率先配置一台球形两栖主机器人作为引导，球形两栖子机器人的数量依据所需要侦查探测的环境视情况进行相应地增减；
[0060]③1#球形两栖主机器人在执行侦查任务的过程中如遇到复杂地形或狭窄区域，无法单独完成侦查探测任务时，需要调动3#-8#球形两栖子机器人与之一起协调完成任务，并进行编队化处理，3#-8#球形两栖子机器人接收并逐步执行控制指令，在执行命令的同时，向球形两栖主机器人1#回发接收指令，通知已完成的任务情况；
[0061](2)协调配合完成侦查任务规划，并在网络中进行编队化处理，达到1#球形两栖主机器人部分与3#-8#球形两栖子机器人部分之间的配合(见图4):
[0062]①1#球形两栖主机器人在进入狭窄区域、泥泞区域以及石砾区域的复杂环境采集数据，执行侦查探测任务，球形两栖主机器人主控板的AVR单片机判定在当前环境下需要3#-8#球形两栖子机器人协调配合工作，1#球形两栖主机器人主控板的AVR单片机会通过无线通讯模块向已备接收信息的3#-8#球形两栖子机器人发送控制命令；
[0063]②当1#球形两栖主机器人侦测到前方区域相对狭窄不便于球形两栖主机器人单独完成侦查探测任务时，1#球形两栖主机器人会向球形两栖机器人通信系统发送控制指令，命令3#_8#球形两栖子机器人执行未完成的侦查探测命令，这时候就需要对球形两栖子机器人进行编队处理;此时，配合球形两栖主机器人执行未完成的侦查探测命令的球形两栖子机器人为2#球形两栖次主机器人，它将率先担任第一队，继续完成1#球形两栖主机器人的任务；
[0064]③自主式球形两栖多机器人通信系统的剩余3#_8#球形两栖子机器人为第二队，与1#球形两栖主机器人和2#球形两栖次主机器人进行协同配合，将1#球形两栖主机器人接收到的侦查数据进行转发并；
[0065]④不同小队下的球形两栖子机器人部分执行不同任务，再将采集的数据通过各自的无线通讯模块回传给球形两栖主机器人进行判定，从而达到协调配合以及主从之间的配合；
[0066](3)主从球形两栖机器人角色转换(见图5):
[0067]①自主式球形两栖多机器人通信系统在执行侦查探测重要任务时，系统中需要通过球形两栖机器人控制板的AVR单片机将每台球形两栖机器人逐一配置主次层级，1#球形两栖主机器人、2#球形两栖次主机器人、3#_8#球形两栖子机器人；
[0068]②系统在执行任务前需要球1#形两栖主机器人进行整体任务执行规划，2#球形两栖次主机器人可以在未接收到1#球形两栖主机器人控制指令时转换成为球形两栖主机器人角色，自主式球形两栖多机器人通信系统中球形两栖主机器人优先执行任务，当其在复杂狭窄环境执行任务过程中与多个球形两栖子机器人失联，从而协调器与路由器之间的联系会暂时中断；
[0069]③3#_8#球形两栖子机器人的无线通讯模块无法接收到来自球形两栖主机器人1#发送的控制命令，3#-8#球形两栖子机器人会主动发送指令请求命令，来判断是否受控，再次无法收到1#球形两栖主机器人的控制指令后启动应急措施，2#球形两栖次主机器人迅速充当球形两栖主机器人角色以协调各个从机器人来完成接下来的任务规划；
[0070]④2#球形两栖次主机器人通过其主控板的AVR单片机向XBee无线通讯模块发送控制指令，判定通信系统中缺乏球形两栖主机器人1#控制信息，AVR单片机对XBee的通讯层次进行更改，更改为协调器模式，以在系统中对3#_8#球形两栖子机器人进行控制；
[0071]⑤脱离系统的1#球形两栖主机器人未能完成任务，将采用自毁程序，令单片机将内存中数据删除，I #球形两栖主机器人将丢弃。
[0072]所述自主式球形两栖机器人通信系统的主端部分控制流程(见图4)，首先系统经过初始化启动程序准备执行任务，判断系统是否有1#球形两栖主机器人发送的控制命令，如果有控制命令，接收并执行控制命令，若没有接收到1#球形两栖主机器人的控制命令，则重复试探接收1#球形两栖主机器人所发送的控制命令；当控制命令被执行调用后，球形两栖机器人会在复杂环境执行任务，这时需要判断是否需要调动3#_8#球形两栖子机器人，若需要3#_8#球形两栖子机器人协同完成任务则向3#_8#球形两栖子机器人发送控制命令，若不需要则1#球形两栖主机器人单独完成任务;在所有程序执行完毕后退出程序。
[0073]所述自主式球形两栖机器人通信系统的从端部分控制流程(见图5)，首先3#_8#球形两栖子机器人系统经过初始化启动程序准备执行任务，判断是否接到1#球形两栖主机器人的控制命令，如果有控制命令，接收并执行控制命令，若没有接收到1#球形两栖主机器人发送的控制命令，则重复接收控制命令；当1#球形两栖主机器人发送的控制命令被执行调用后执行相应的任务，当不能接收1#球形两栖主机器人所发送的控制信息时，需要判断是否需要充当球形两栖主机器人以控制整个系统，若需要则执行1#球形两栖主机器人的相应程序，若不需要则完成1#球形两栖主机器人的控制命令;在所有程序执行完毕后退出程序。
【主权项】
1.一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于它包括球形两栖机器人、无线通讯模块和球形两栖机器人主控板;其中，所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖机器人主控板包括球形两栖主机器人主控板和球形两栖子机器人主控板;所述无线通讯模块包括主无线通讯模块和从无线通讯模块;所述从无线通讯模块和子机器人主控板安装在球形两栖子机器人身上;所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控制板相连接安装在球形两栖主机器人上;所述主无线通讯模块和球形两栖主机器人主控板之间呈双向串口通讯方式连接，主无线通讯模块可通过串口收发的方式与球形两栖主机器人主控板收发数据;所述主无线通讯模块与从无线通讯模块之间呈双向无线通讯方式连接。2.根据权利要求1所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述球形两栖机器人是仿生水陆两栖机器人，是一种在水下通过喷水电机进行喷水行进，陆地采用仿生学四足爬行运动的机器人。3.根据权利要求2所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述球形两栖机器人不少于I个，所述球型两栖机器人主控板、无线通讯模块的数量与球形两栖机器人的数量一一对应;所述球形两栖机器人包括球形两栖主机器人部分和球形两栖子机器人部分;所述球形两栖子机器人部分的球形两栖子机器人可以担任球形两栖次主机器人。4.根据权利要求1所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述无线通讯模块是由用于信号收发的XBee通讯模块和串口通讯转换底板构成；其中，所述XBee通讯模块安装到串口通信转换底板上即可组成球形两栖机器人无线通讯模块，再安装在每台球形两栖机器人上。5.根据权利要求4所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述XBee通讯模块是基于ZigBee通信协议的通讯模块。6.根据权利要求1所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述主无线通讯模块与从无线模块之间通过低信噪比通信优越的ZigBee无线通讯协议相互发送数据。7.根据权利要求1所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述主无线通讯模块是协调器结构的球形两栖主机器人无线通讯模块;所述从无线通讯模块包括终端结构的球形两栖子机器人无线通讯模块和路由器结构的球形两栖次主机器人无线通讯模块;所述协调器结构与路由器结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯;所述协调器结构和路由器结构均可以与终端结构之间通过ZigBee协议进行无线通讯。8.根据权利要求1所述一种自主式球形两栖多机器人通信系统，其特征在于所述球形两栖机器人主控板为搭载AVR单片机的球形两栖机器人控制电路，由AVR单片机和LM2596稳压模块组成;所述LM2596稳压模块的输入端正负极分别连接系统电源的正负极，其输出端的正负极与AVR单片机的电源输入端和接地端。9.一种自主式球形两栖多机器人通信系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤: (I)球形两栖主机器人可以通过无线控制的方式对各个球形两栖子机器人进行控制和任务编队: ①通过配置无线通讯模块所处的层次，配置好XBee模块属性，从而配置球形两栖机器人在整个网络中所处的地位:将系统中球形两栖主机器人配置为协调器属性;将球形两栖子机器人配置为终端属性;根据侦察探测环境的需要，设定球形两栖次主机器人，并将这个球形两栖次主机器人配置为路由器属性;配置好的球形两栖主机器人无线通讯模块通过串口通信的方式连接球形两栖主机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚，配置好的球形两栖子机器人无线通讯模块通过串口通信方式连接球形两栖子机器人主控板的AVR单片机串口通信引脚； ②自主式球型两栖多机器人通信系统在工作过程中，由于球形两栖机器人系统执行任务需要率先配置一台球形两栖主机器人作为引导，球形两栖子机器人的数量依据所需要侦查探测的环境视情况进行相应地增减； ③球形两栖主机器人在执行侦查任务的过程中如遇到复杂地形或狭窄区域，无法单独完成侦查探测任务时，需要调动球形两栖子机器人与之一起协调完成任务，并进行编队化处理，球形两栖子机器人接收并逐步执行控制指令，在执行命令的同时，向球形两栖主机器人回发接收指令，通知已完成的任务情况； (2)协调配合完成侦查任务规划，并在网络中进行编队化处理，达到球形两栖主机器人部分与球形两栖子机器人部分之间的配合: ①球形两栖主机器人在进入狭窄区域、泥泞区域以及石砾区域的复杂环境采集数据，执行侦查探测任务，球形两栖主机器人主控板的AVR单片机判定在当前环境下需要球形两栖子机器人协调配合工作，球形两栖主机器人主控板的AVR单片机会通过无线通讯模块向已备接收信息的球形两栖子机器人发送控制命令； ②当球形两栖主机器人侦测到前方区域相对狭窄不便于球形两栖主机器人单独完成侦查探测任务时，球形两栖主机器人会向球形两栖机器人通信系统发送控制指令，命令球形两栖子机器人执行未完成的侦查探测命令，这时候就需要对球形两栖子机器人进行编队处理;此时，配合球形两栖主机器人执行未完成的侦查探测命令的球形两栖子机器人为球形两栖次主机器人，它将率先担任第一队，继续完成球形两栖主机器人的任务； ③自主式球形两栖多机器人通信系统的剩余球形两栖子机器人为第二队，与球形两栖主机器人和球形两栖次主机器人进行协同配合，将球形两栖主机器人接收到的侦查数据进行转发并； ④不同小队下的球形两栖子机器人部分执行不同任务，再将采集的数据通过各自的无线通讯模块回传给球形两栖主机器人进行判定，从而达到协调配合以及主从之间的配合； (3)主从球形两栖机器人角色转换: ①自主式球形两栖多机器人通信系统在执行侦查探测重要任务时，系统中需要通过球形两栖机器人控制板的AVR单片机将每台球形两栖机器人逐一配置主次层级，层级逐渐递减由原来的球形两栖主机器人、球形两栖子机器人，变为球形两栖主机器人、球形两栖次主机器人、球形两栖子机器人，其中球形两栖次主机器人是由原来的球形两栖子机器人中划分出来的； ②系统在执行任务前需要球形两栖主机器人进行整体任务执行规划，球形两栖次主机器人可以在未接收到球形两栖主机器人控制指令时转换成为球形两栖主机器人角色，自主式球形两栖多机器人通信系统中球形两栖主机器人优先执行任务，当其在复杂狭窄环境执行任务过程中与多个球形两栖子机器人失联，从而协调器与路由器之间的联系会暂时中断； ③各个球形两栖子机器人的无线通讯模块无法接收到来自球形两栖主机器人发送的控制命令，球形两栖子机器人会主动发送指令请求命令，来判断是否受控，再次无法收到球形两栖主机器人的控制指令后启动应急措施，球形两栖次主机器人迅速充当球形两栖主机器人以协调各个从机器人来完成接下来的任务规划； ④球形两栖次主机器人通过其主控板的AVR单片机向XBee无线通讯模块发送控制指令，判定通信系统中缺乏球形两栖主机器人控制信息，AVR单片机对XBee的通讯层次进行更改，更改为协调器模式，以在系统中对各个球形两栖子机器人进行控制； ⑤脱离系统的球形两栖主机器人未能完成任务，将采用自毁程序，令单片机将内存中数据删除，该球形两栖主机器人将丢弃。
【文档编号】G05D1/00GK106020178SQ201610628714
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月1日
【发明人】郭书祥, 郭健, 李鑫
【申请人】天津理工大学
文档序号 :
【 10653581 】
技术研发人员：郭书祥,郭健,李鑫
技术所有人：天津理工大学
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
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