多智能體合作通訊的設計

總體框圖：

設計要求：

設計一套符合上圖的上層通訊協(xié)議，可以完成上圖所有的任務(wù)。

OSI七層參考模型

應用層

表示層

會(huì )話(huà)層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò )層

數據鏈路層

物理層

按照OSI7層協(xié)議模型，在此數據鏈路層和物理層已經(jīng)通過(guò)異步串行通訊協(xié)議UART定義，所設計的上層通訊協(xié)議是基于UART的。

設計思路與框架：

由于數據鏈路層與物理層都已經(jīng)定義，所以還須定義網(wǎng)絡(luò )層，傳輸層，會(huì )話(huà)層，表示層，應用層。

協(xié)議基本結構：

OSI七層模型多智能體協(xié)議模型功能說(shuō)明

應用層控制層馬達控制，A/D轉換

表示層命令，數據格式協(xié)議

會(huì )話(huà)層規則層從機發(fā)言順序協(xié)議

傳輸層

網(wǎng)絡(luò )層主從機地址協(xié)議

數據鏈路層通訊層UART串口通訊協(xié)議

物理層

我將所構思的協(xié)議劃分為三層，既控制層，規則層和通訊層?？刂茖酉鄬氖荗SI中的應用層和表示層，其作用是理解和執行命令，采集環(huán)境變量并傳回數據。規則層相對應的是OSI中的會(huì )話(huà)層，傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層，其作用是確保網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有人同時(shí)發(fā)言，確保從數據到達正確的目的地。通訊層相當于OSI中的物理層和數據鏈路層，在這里使用了UART串口通訊協(xié)議，通過(guò)此確保字符被正確地發(fā)送和接收。

1．通訊層

通訊層是三層中最底層的一層。它是上面兩層協(xié)議的基礎。在這里我們使用UART串口通訊協(xié)議。協(xié)議的具體細節在VISUALBASIC和BASCOMAVR中都已經(jīng)制定好，只須采用現成的函數即可實(shí)現通訊層的數據鏈路層。

我們通過(guò)上海桑博電子科技有限公司生產(chǎn)的STR-18型微功率無(wú)線(xiàn)通訊模塊來(lái)實(shí)現通訊層中的物理層。它通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式來(lái)傳輸數據，使機器人可以靈活移動(dòng)。

硬件連接方法為所有的子機RXD，TXD都并聯(lián)，上位機的RXD與所有子機的TXD連接，上位機的TXD與所有子機的RXD連接。這樣，上位機可以與所有的子機通訊，但是子機與子機之間不能直接通訊，需要經(jīng)過(guò)上位機中轉后才能通訊，并且同時(shí)只能有一個(gè)子機發(fā)言。

2．規則層

規則層對應了會(huì )話(huà)層，傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層三層，然而我們只需要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )層和會(huì )話(huà)層。因為機器人為單進(jìn)程系統，無(wú)須考慮將數據分發(fā)到指定進(jìn)程的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò )層對機器人的地址作出了規定。上位機的地址為OxOO，子機的地址為0x01至OxFF。地址碼大小為00至FF，即支持255臺子機和1臺上位機。

網(wǎng)絡(luò )層把數據包的結構定義為：第一個(gè)字節是目的地址碼，第二個(gè)字節為發(fā)送機地址碼，最后一個(gè)字節為結束標志Chr(13)，中間為數據。數據中不可出現Chr（13），否則程序會(huì )誤認為數據包已經(jīng)接收完成。

數據包結構示意圖

數據包接收完成，即接收到Chr(13)后，開(kāi)始分析數據包。首先檢查數據包的第一個(gè)字節，若該字節與自身的地址碼相符，則繼續處理該數據包；若不同，則丟棄該數據包。

確認該數據包是屬于自己的以后，再把數據和發(fā)送地址交給控制層協(xié)議處理。

在子機和子機之間也要通訊的時(shí)候，上位機充當了一個(gè)數據中轉站的角色。當上位機接收到目標地址不為0x00的數據包時(shí)，則通過(guò)TXD把該數據包發(fā)送出去。

由于所有子機的TXD在同一條線(xiàn)上，如果有兩臺子機同時(shí)發(fā)送數據就會(huì )導致上位機無(wú)法正確接受數據，所以我們要通過(guò)協(xié)議來(lái)確保每時(shí)每刻最多只有一臺子機在發(fā)送數據。這就是會(huì )話(huà)層在此要解決的主要問(wèn)題。

這里使用了主從結構，從機不主動(dòng)發(fā)送數據，一切由上位機控制。當上位機想讓A機和B機發(fā)送數據時(shí)，上位機就對大家說(shuō)“A，向我匯報情況”，然后A機說(shuō)“我是A機，一切正常”，A說(shuō)好后，上位機又說(shuō)“B，向我匯報情況”，然后B機說(shuō)“我是B機，一切正常”，通訊結束。

如果上位機說(shuō)好“A，向我匯報情況”后，A機超過(guò)100MS沒(méi)有反映，則再次重復。若A機超過(guò)500MS沒(méi)有反映，則上位機就認為A機不正常，跳過(guò)A機詢(xún)問(wèn)B機。

由于在數據包頭已經(jīng)包含了目標地址碼，所以在命令子機發(fā)送數據時(shí)命令中無(wú)須再出現地址碼。我規定，“TALK*”為讓子機發(fā)送數據的命令。

上位機每次請求子機發(fā)言，都必須是在上一次通訊結束后才能開(kāi)始下一次通訊。否則會(huì )引起總線(xiàn)沖突。同時(shí)詢(xún)問(wèn)的次數必須考慮傳輸的波特率與子機的計算速度，否則會(huì )導致整體效率低下。

3．控制層

控制層為上層協(xié)議，主要任務(wù)是與環(huán)境，人交互和控制機械部分完成實(shí)際的任務(wù)。它是直接面對我們的一層協(xié)議。

控制層要完成的任務(wù)為：按命令控制馬達與舵機，采集傳感器數值并發(fā)送，采集人的決策或根據傳回的數據自動(dòng)作出決策，協(xié)調各機器人的運動(dòng)和任務(wù)分配等。

我規定，一條命令由兩個(gè)字節組成。第一個(gè)字節為設備代碼，第二個(gè)字節為狀態(tài)代碼。每個(gè)數據包可以包含多條命令，由于設備代碼只有256個(gè)，所以每個(gè)數據包的長(cháng)度最多只有515字節，因此無(wú)須分割。

每個(gè)設備都有其自身獨立的設備代碼，并且設備狀態(tài)對其有實(shí)際的意義。由于狀態(tài)代碼為0-255，所以每個(gè)設備最多只能有256種狀態(tài)。因此PWM信號的精度最高只能為1/256。

當子機接收到了有效數據時(shí)，便將其第一條命令剝離，解釋?zhuān)瑘绦?，然后再把第二條命令剝離，解釋?zhuān)瑘绦?，直到全部命令都被剝離完。

上位機首先做出決策，例如“A往左，B往右”，然后分離為“A往左”和“B往右”，接著(zhù)分離為“A的1號電機反轉，2號電機正轉”，“B的1號電機正轉，2號電機反轉”，最后分為2個(gè)數據包發(fā)送出去。