Методы оценки расстояний и качества радиолиний между роботами в составе роя

Основа для теоретической базы групповой робототехники возникла благодаря биологическим исследованиям за насекомыми, в частности за муравьями, пчелами и другими, в среде которых имеет место роевое поведение [1]. Разработка подходов к координации систем, состоящих из большого числа физически простых роботов, привела к возникновению научных направлений – роевого интеллекта, мультиагент-ных систем [2].

Структура роя предполагает постоянную смену участников и их ролей, что связано с адаптацией роя к окружающей среде, параметры которой заранее не определены [3]. Взаимодействие роботов в группе предполагает поддержание между ее участниками постоянной локальной связи. Для экономии энергетических ресурсов эффективнее обеспечивать связь посредством передачи информации через соседа, который находится в пределах прямой видимости. Таким образом, сеть, состоящую из группы роботов, можно представить в виде ячеистой структуры со случайным расположением узлов.

Теория взаимодействия в групповой робототехнике достаточно хорошо проработана [1]. Предложены многочисленные модели и алгоритмы коллективного управления группами роботов, функционирующих в режиме реального времени, сценарии выбора лидера группы в случае децентрализованного управления и т.д. Однако авторы, как правило, не учитывают особенности работы беспроводных систем передачи данных в инфракрасном или радиочастотном диапазонах.

В статье рассмотрены методы оценки расстояния между узлами робототехнической группы, объединенных в радиосеть, а также метод контроля качества радиолиний. Приводятся достоинства и недостатки каждого из них.

Групповая коммуникация роботов

Робот, входящий в состав роя, имеет небольшой радиус действия вследствие ограниченной мощности передатчика, чувствительности приемника, затухания сигнала. Это ограничивает возможности обмена информации с соседом и может вывести из строя всю сеть в случае значительного удаления всех узлов друг от друга. Применение групповой коммуникации позволяет перемещаться роботам в колонне, относительно опорной точки, режиме патрулирования и т.д.

Группу роботов, имеющих децентрализованное управление при отсутствии базовой станции или опорного узла, можно отнести к радиосетям со случайными мобильными абонентами – MANET (Mobile Ad hoc NETworks) (беспроводные самоорганизующиеся мобильные сети) [4; 15].

Подобные сети обладают рядом преимуществ, к числу которых относятся:

– возможность передачи данных на большие расстояния без увеличения мощности передатчика;

– устойчивость к изменениям в инфраструктуре сети;

– возможность быстрой реконфигурации в условиях неблагоприятной помеховой обстановки;

– простота и высокая скорость развертывания.

В таких сетях возникают дополнительные проблемы, связанные с динамикой топологии сети, вероятностью обрыва связи с соседом из-за его выключения (уничтожения), а также проблемы энергопотребления. Поэтому представляется важным расчет энергетических характеристик, предельных расстояний между соседними робо- тами и своевременная корректировка их положения в пространстве с учетом заданных пороговых значений.

Беспроводные технологии связив робототехнике

Беспроводное управление по радиоканалу – наиболее часто встречающееся решение в робототехнике. Для гарантированной передачи данных между устройствами применяются различные протоколы передачи информации. В случае если совместно работающих устройств достаточно много, их объединяют в беспроводные сети и используют сетевые протоколы передачи данных.

Существует ряд беспроводных технологий, которые могут применяться в робототехнике, однако для коллективных систем необходим компромисс между эффективностью обеспечения связи и энергопотреблением. Широко известная и применяемая технология WiFi (стандарт связи IEEE 802.11) имеет высокое энергопотребление [5] и поддерживает основную топологию «звезда». Технология WiFi Mesh, предлагающая решение для сети с ячеистой топологией, также обладает недостатком высокого энергопотребления.

Применение технологии Bluetooth (стандарт связи 802.15.4) решает вопрос с проблемой повышенного энергопотребления, но ограничивает использование ячеистой топологии, так как предусмотрена поддержка только топологии «звезда».

Компромиссным вариантом авторам видится использование технологии ZigBee (стандарт IEEE 802.15.4 [8]), где используются радиомодули с низким энергопотреблением и поддерживается ячеистая топология. Несмотря на низкую скорость передачи, технологию ZigBee можно успешно применять для передачи информации с помощью АТ-команд и своевременного корректирования действия роботов.

На основе данной технологии можно реализовать сеть с высокой живучестью, что в условиях работы роя роботов в недетерминированной среде может сыграть решающую роль при передаче информации, особенно где велик риск потери (уничтожения) узлов сети. Наличие избыточных связей позволяет менять маршрут прохождения сетевого трафика.

Особенности применения технологииZigBee

ZigBee – стандарт высокоуровневых протоколов беспроводной связи, применяемый массово при автоматизации промышленного оборудова- ния, в системах автоматизации зданий и жилых помещений, в медицинском и телекоммуникационном оборудовании. Отличительные особенности стандарта ZigBee проявляются в его высокой помехозащищенности, гарантированной доставке пакетов и защите передаваемой информации на относительно небольших скоростях передачи данных при крайне низком энергопотреблении, отсутствии необходимости получения частотного разрешения [6-7]. Благодаря стандартизации и открытой спецификации различные производители электронных устройств могут разрабатывать собственные устройства, совместимые с устройствами, использующими протокол ZigBee.

Несмотря на наличие частотных каналов в диапазонах 868 МГц; 915 МГц, большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики для диапазона 2,4 ГГц, где достигается наибольшая скорость передачи данных и наивысшая помехоустойчивость, с применением 16 частотных каналов с шагом 5 МГц, CSMA-CA доступ к каналу. Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/с. При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах от 5…40 кбит/с [7].

Технология расширения спектра, которая используется в технологии ZigBee, позволяет создавать рой с общим числом роботов в группе до 65000 узлов. Поддерживаются топологии «звезда», многосвязные (mesh) сети и их производные. На канальном и физическом уровнях модели OSI технология ZigBee базируется на стандарте беспроводной связи IEEE 802.15.4 [8]. Данный стандарт изначально был ориентирован на устройства с низким энергопотреблением и невысокой производительностью, что позволяет разрабатывать роботов на базе платформ Arduino или Raspberry PI.

Номинальная дальность радиосвязи, обозначенная в е IEEE 802.15.4, составляет 10 м [6], максимальная ограничена энергетическими характеристиками приемопередающего оборудования. Для совместимости устройств необходимо, чтобы радиомодуль робота имел уровни минимальной выходной мощности передатчика –3 дБмВт и минимальной чувствительности приемника –85 дБмВт для 2,45 ГГц диапазона и –92 дБмВт для субгигагерцевого диапазона.

Решение Государственной Комиссии по радиочастотам [6] устанавливает мощность для ZigBee-устройств, работающих вне помещений, от 10 до 100 мВт. По данным производителя оборудования Digi [9], при таких ограничениях по мощности на базе радимодулей XBee Pro можно построить радиоканал протяженностью до нескольких км, к примеру для целей сбора телеметрической информации в составе автоматизированных систем контроля и учета ресурсов или систем охраны. Модули не требуют конфигурирования и содержат встроенный протокол пакетной передачи данных с проверкой целостности передаваемых данных.

Методы оценки расстояния между роботами

Метод оценки расстояний с применением RSSI . Для оценки радиолинии в сетях ZigBee предусмотрены следующие характеристики: RSSI (received signal strength indicator, индикатор уровня сигнала приема), LQI (link quality indicator, индикатор качества канала связи), TOF (Time of Flight, время, через которое узел принимает отклик о получении пакета). Первый параметр необходим для оценки уровня принимаемой мощности, а второй – для оценки числа принятых пакетов данных, третий позволяет оценить не только эффективность маршрутизации, но и рассчитать расстояние до узла. Данные показатели могут быть использованы для оценки расстояний и состояний каналов между роботами, а также для расчета их координат местоположения относительно друг друга.

Рис. 1. К расчету расстояния между двумя роботами в условиях прямой видимости

Расчет расстояния между роботами с применением параметром RSSI основан на использовании идеальной модели распространения радиоволн между двумя автономными устройствами (роботами) – см. рис. 1, с учетом потерь в свободном пространстве [15]:

Pr(^o) p_r(d)

где Pr (d) – значение мощности принимаемого сигнала на расстоянии d, м от передающего робота, мВт; Pr (d0) – значение мощности принимаемого сигнала мВт, на расстоянии d0 = 1 м от передающего робота. Коэффициент 77 в (1) характеризует потери при распространении сигнала в среде: это безразмерная величина, эмпирические значения которой удобно брать из таблицы 1 [10].

Приведем пример расчета расстояния между роботами при известном уровне принимаемого сигнала RSSI . Исходные данные:

^^ = 10,8 (т^й)>дБмВт;

D 1 nf^-30) n RSSIdQ-RSSI/d\

Р = Юк и 7, мВт; ----²----= ту 1g (—

RS SI = RSSL -10 77 1g (—Y дБмВт. (2) 0\d

Отсюда можно выразить расстояние до робота-соседа:

/RSSIdQ-RSSI\ d = d0-10K    10'/

Таблица 1. Эмпирические значения коэффициента потерь в различных средах

Модель распространения	п
Свободное пространство	2
С учетом влияния Земли	4
Городская территория	2,7 ... 3,5
Внутри здания, прямая видимость	1,6 ... 1,8

Метод контроля RSSI имеет ряд ограничений, поскольку на уровень сигнала влияют следующие факторы [5]:

– быстрые и медленные замирания сигналов на трассе из-за изменения условий распространения радиоволн;

– многолучевое распространение вследствие отражений от различных металлических предметов;

– разброс выходной мощности передатчиков и чувствительности приемников;

– влияние ориентации антенн из-за неравномерности диаграммы направленности.

Как отмечается в [13], практическая применимость этого метода в сетях в ZigBee ограничена дистанциями до 10 м, при этом расстояние измеряется с точностью порядка 3 м.

Метод оценки расстояний с применением TOF основан на получении информации о времени задержки ответного сигнала. Знание фиксированного времени, которое затрачивается на аппаратную обработку, доступное из спецификации оборудования, позволяет оценивать не только время, затраченное на получение отклика от принимающей стороны, но и рассчитывать расстояние между узлами d по формуле d = ct/T.,                   (4)

где c – скорость света, м/с; г – время задержки TOF , с. Для повышения точности используют многократные повторения процедуры измерения. Реально этот метод эффективен в полном диапазоне дальности работы сети (обычно сотни м). Однако на время задержки T существенно влияют:

• –    стабильность частоты задающих генераторов;

• –    задержки фронтов импульсов при приеме и излучении;

• –    отношение «сигнал/шум»;

• –    ошибки из-за многолучевого распространения.

Методы контроля качества радиолинии

Параметр LQI (link quality indicator, индикатор качества канала связи) применяется для оценки работы радиолинии с учетом помех и основан на измерениях параметра PER – коэффициента ошибок на пакет PER . Значение LQI показывает, насколько легко может быть демодулирован сигнал при наличии шума в канале. Диапазон значений данного параметра зависит от разработчика радиомодуля. Для трансивера СС2420 фирмы Texas Instruments значение LQI лежит в диапазоне 50 … 110 [12], причем более высокие значения показывают лучшие характеристики канала.

Приведем некоторые практические примеры оценки качества канала:

• –    слабый уровень сигнала и наличие шума дает низкое значение RSSI и низкое значение LQI ;

• –    слабый сигнал при отсутствии шума в канале дает низкое значение RSSI и высокий LQI ;

• –    сильный сигнал без шума в канале дает высокое значение RSSI и высокий LQI ;

• –    сильный сигнал с шумом в канале дает высокое значение RSSI и низкий LQI ;

• –    сильный шум может давать высокий RSSI и низкий LQI .

Заключение

В статье рассмотрены методы оценки расстояний между узлами роя роботов на основе параметров RSSI , TOF , описан метод контроля качества радиоканала на основе LQI . Преимущество данных методов заключается в том, что они не требуют дополнительных вычислений, поскольку используемые параметры могут быть получены напрямую с приемопередатчика беспроводного узла.