「2019-5」【每周分享】机器人通信？而且还是用Wifi？

火星探索 · 2019-3-25 20:22:27

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看到了这个熟悉的标志，我默默掏出了手机打开 WLAN。

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Wi-Fi 标志大家都很熟悉，Wi-Fi 技术在生活中随处可见，连接网络上网、远程控制家居、安防监控等等都离不开 Wi-Fi。

机器人比赛也运用了 Wi-Fi 技术，它让机器人与机器人、机器人与操作手可以互相通信。

没有视觉系统的机器人是“瞎子”，而无法通信的机器人就是“聋哑人”，无法和外部交流，成了独立的个体。、

机器人需要交流什么呢？例如：通过图传系统，机器人把摄像头拍到的画面传到电脑屏幕上；机器人把自己的信息（例如血量、射速和功率）传给操作手；操作手把信息传给机器人，让机器人听命令......这些在比赛中都是必不可少的。

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机器人有很多种通信方式，不用的用途要选择不同的方式。

例如 UART 、SPI和CAN通信，一般用在机器人内部，让内部模块之间或者系统之间的信息有线传输；RFID 射频识别技术，用于机器人和场地的信息交互，例如机器人用障碍块套机关立柱可以激活机关，这需要很近的距离才能实现通信。

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而要实现机器人与机器人通信，机器人与操作手通信，显然上面的几种方法都不适合。 WiFi 技术就可以完成机器人之间、以及与电脑端的信息互通。

Wi-Fi 是什么？

Wi-Fi（WIreless-Fidelity，无线保真技术），是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术。无线局域网就是没有线的、局部的网络，在餐厅、家庭和体育馆等小范围场地都是使用局域网。

（广域网一般是用卫星通信链路，价格高、实现难。）

Wi-Fi 通过无线路由器建立一个无线组网，一群机器人借助无线电波连入这个网络，用特定的编码方式相互交流，以及执行人类的命令，就实现了信息互通。

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它也是一种网络协议，专利归美国的“Wi-Fi 联盟”组织所有， WiFi 的通信协议问题都由这个组织负责。

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Wi-Fi 不是凭空而来，它的出现是有故事的：

在以前，夏威夷有很多岛屿，岛屿之间想互相沟通，但是没法搭设线路。1971 年，出现了 ALOHA 网络，它构造了一个以 Oahu 岛为中心，其他岛屿为外界的的无线通信链路。

这个网络协议的工作模式是这样的：

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“Aloha 协议”有一个通信约定：在一个大群岛中，有主岛（接收方）和周边小岛（发送信息的节点），只要某一时刻有小岛有数据，就会马上发给主岛，数据发完之后，接收方会反馈ACK（代表主岛已经成功接收到了）。

如果没有收到 ACK，小岛会觉得传输失败是因为有其他岛也在传输而导致的，就会选择一个等待时间（也叫“回退时间”）。这样很好地避免了大家同时传输。

在这之后，很多机构都开始尝试用新的方法来完成同样效果的网络，我们来看看Wi-Fi短暂又繁荣的发展过程：

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通信协议

WiFi 在传输信息的时候，会遇到各种各样的问题，比如信息太多而争抢资源，我们就需要定一个规定，让设备文明地传信息。这个规定就叫做“通信协议”。

在讲两种常用的通信协议之前，先了解一下 STA 和 AP 是什么。

STA & AP

STA（Station，站点）是接收 WiFi 信号的接入点（比如手机、电脑设备），AP 是把信号转换成无线发送的装置（比如无线路由器）。

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上图存在一个 AP 和三个节点（STA 1、2、3），如果 STA1 和 STA2 同时向 AP 发送数据，数据就会在 AP 发生冲突，导致两败俱伤，谁都不能接收。

于是，有一个和事佬出现了，它叫做 CSMA/CA 协议，会经常给它们“劝架”。

协议1：CSMA/CD，CSMA/CA

CSMA（Carrier Sense Multiple Access）在有线网络中为 CSMA/CD 协议，在无线网络中为 CSMA/CA 协议。

CSMA 协议类似最早的“群岛”通信，但它引入了监听机制。CSMA 节点在发送信息之前，会先监听信道是否是空闲，如果不空闲，就等待一会再听一次直到空闲了才发送数据，避免发生冲突。

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协议2：RTS/CTS

除了 CSMA，还有 RTS/CTS 协议也可以避免冲突。

STA 与 AP 通信的信道是虚拟的，我们可以把它用信号发射的范围表示，一个信道就看做一个圆面，多个信道看做多个圆摞起来。

下图左边的节点和 AP 有交叉区域，说明它们可以通信，右边同理。

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假如大家一起发信息给 AP 老板，那么 AP 老板是这么想的……

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RTS/CTS 就可以解决对老板的信息轰炸，这种模式是这样的：

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我们可以比作：有很多员工给老板打电话，但老板没时间马上接起，等忙完之后，他看到很多未接来电，就对所有人说（CTS）：“刚才员工1给我打电话了（RTS），现在请员工 1 回电。”

员工 1 就对老板正式报告（Data），老板收到报告后会反馈（ACK），其他员工就默默等老板通知。

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通过以上，Wi-Fi 已经可以其乐融融、顺顺利利地通信了。但不得不提一个问题：设备有这么多信息传输，还有各种协议在运作，这些都是有芯片或者模块完成的，如何合理用电呢？

Wi-Fi 节能模式

工作中，STA 有以下几种状态，我们把 STA 比作一个参加乒乓球训练的学员，AP 比作教练员：

1、Sleep（休眠模式）：节点会关闭发送和接收模块来进行休眠，能耗最低。

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2、Rx Idle（接收空闲状态）：节点对信道进行监听，但并未真实接收数据帧。

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3、Rx（接收状态）：节点监听到数据帧，并对其进行接收。

4、Tx（发送状态）：节点发送数据帧。

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其中，1 基本不耗能，3 和 4 都是正式工作的阶段，不能为了省电而委屈性能。所以可以从 2 入手，引入“节能模式”。

我们拿乒乓球训练来说明：

第一步，缓存机制：AP 收到外网发来的信息后，先存起来，等 STA 向 AP 申请，再发给 STA。

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第二步，PS-Poll机制：如果外网发来很多信息，那么需要发送信息的 STA 就要向 AP 申请发送，直到把信息发完了，整个传输到此结束。

经过以上两步，不发信息的 SAT 就处于 1 睡眠状态，想发信息的 SAT 就去申请（3 和 4 的收发状态），尽量避免了 2 的既监听又不传输信息的浪费，达到节能的目的。

Wi-Fi 的干扰

家太大的小伙伴有时会遇到一个问题：进了房间就收不到客厅的 Wi-Fi 了。

因为Wi-Fi 信号很容易被干扰，直观的就是物理干扰，障碍物会阻挡和吸收 Wi-Fi 信号；还有相关设备的干扰，比如蓝牙和微波炉一类的设备，它们工作频段和 Wi-Fi 相近，同时使用会导致信息互相“打架”；

这就是为什么在观看机器人比赛时，观众应该尽量避免携带太多无线电设备入场，更加不要连入参赛队伍自行搭建的比赛网络，不然会对比赛有很大的影响。

Wi-Fi 应用

除了机器人比赛，生活中的 Wi-Fi 应用也不少，下面举两个典型的栗子。

室内定位

Wi-Fi 可以做室内定位，一般无线 AP 安装在屋顶，无线信号近似于一个球面传播，与地面上需要定位的设备交接于一个圆面上。

当某一个设备接受到某一 AP 发出的 Wi-Fi 信号时，AP 就像一个“被蒙住眼睛的人”，它知道设备与它的距离，但不知道设备的方向。

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我们把定位范围画成圆圈，一个 AP 时，定位在圆内；两个AP定位在眼形图中心连线上；三个 AP 时，定位在中心点。

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当然这是理想情况，一般存在 n 个 AP，坐标分别为（xi,yi），目标点到这 n 个 AP 的距离是 di，设目标点的坐标是（X，Y），则可列一个方程组，有 n 个等式：

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接下来就是数学的工作了，简单的变换消去二次，最后利用最小二乘法求解，再加入坐标变换等后续工作，就可以确定设备的具体位置坐标。

智能家居

大家对智能家居耳熟能详，最容易使家居智能的就是 Wi-Fi 技术，因为开发简易、成本低、传输快，而且无线电波覆盖范围很广。

有了智能家居，我们可以用手机远程查看和操控家里的设备，比如：远程监控室内、远程开房门、远程设定扫地机器人的工作时间等等。

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火星探索 · 2019-4-20 11:26:17

不知道今年的机器人之间通信有没有人做出来

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