多智能體合作通訊的設(shè)計(jì)

總體框圖：

設(shè)計(jì)要求：

設(shè)計(jì)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(yīng)用層

表示層

會(huì)話層

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)鏈路層

物理層

按照OSI7層協(xié)議模型，在此數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)的上層通訊協(xié)議是基于UART的。

設(shè)計(jì)思路與框架：

由于數(shù)據(jù)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)話層，表示層，應(yīng)用層。

協(xié)議基本結(jié)構(gòu)：

OSI七層模型多智能體協(xié)議模型功能說(shuō)明

應(yīng)用層控制層馬達(dá)控制，A/D轉(zhuǎn)換

表示層命令，數(shù)據(jù)格式協(xié)議

會(huì)話層規(guī)則層從機(jī)發(fā)言順序協(xié)議

傳輸層

網(wǎng)絡(luò)層主從機(jī)地址協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層通訊層UART串口通訊協(xié)議

物理層

我將所構(gòu)思的協(xié)議劃分為三層，既控制層，規(guī)則層和通訊層?？刂茖酉鄬?duì)應(yīng)的是OSI中的應(yīng)用層和表示層，其作用是理解和執(zhí)行命令，采集環(huán)境變量并傳回?cái)?shù)據(jù)。規(guī)則層相對(duì)應(yīng)的是OSI中的會(huì)話層，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(shù)據(jù)到達(dá)正確的目的地。通訊層相當(dāng)于OSI中的物理層和數(shù)據(jù)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(chǔ)。在這里我們使用UART串口通訊協(xié)議。協(xié)議的具體細(xì)節(jié)在VISUALBASIC和BASCOMAVR中都已經(jīng)制定好，只須采用現(xiàn)成的函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)通訊層的數(shù)據(jù)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)線通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊層中的物理層。它通過(guò)無(wú)線方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，使機(jī)器人可以靈活移動(dòng)。

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

2．規(guī)則層

規(guī)則層對(duì)應(yīng)了會(huì)話層，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層三層，然而我們只需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和會(huì)話層。因?yàn)闄C(jī)器人為單進(jìn)程系統(tǒng)，無(wú)須考慮將數(shù)據(jù)分發(fā)到指定進(jìn)程的問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)層對(duì)機(jī)器人的地址作出了規(guī)定。上位機(jī)的地址為OxOO，子機(jī)的地址為0x01至OxFF。地址碼大小為00至FF，即支持255臺(tái)子機(jī)和1臺(tái)上位機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)層把數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)定義為：第一個(gè)字節(jié)是目的地址碼，第二個(gè)字節(jié)為發(fā)送機(jī)地址碼，最后一個(gè)字節(jié)為結(jié)束標(biāo)志Chr(13)，中間為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中不可出現(xiàn)Chr（13），否則程序會(huì)誤認(rèn)為數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收完成。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)示意圖

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

確認(rèn)該數(shù)據(jù)包是屬于自己的以后，再把數(shù)據(jù)和發(fā)送地址交給控制層協(xié)議處理。

在子機(jī)和子機(jī)之間也要通訊的時(shí)候，上位機(jī)充當(dāng)了一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色。當(dāng)上位機(jī)接收到目標(biāo)地址不為0x00的數(shù)據(jù)包時(shí)，則通過(guò)TXD把該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

由于所有子機(jī)的TXD在同一條線上，如果有兩臺(tái)子機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)導(dǎo)致上位機(jī)無(wú)法正確接受數(shù)據(jù)，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(tái)子機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)。這就是會(huì)話層在此要解決的主要問(wèn)題。

這里使用了主從結(jié)構(gòu)，從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，一切由上位機(jī)控制。當(dāng)上位機(jī)想讓A機(jī)和B機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)就對(duì)大家說(shuō)“A，向我匯報(bào)情況”，然后A機(jī)說(shuō)“我是A機(jī)，一切正常”，A說(shuō)好后，上位機(jī)又說(shuō)“B，向我匯報(bào)情況”，然后B機(jī)說(shuō)“我是B機(jī)，一切正常”，通訊結(jié)束。

如果上位機(jī)說(shuō)好“A，向我匯報(bào)情況”后，A機(jī)超過(guò)100MS沒(méi)有反映，則再次重復(fù)。若A機(jī)超過(guò)500MS沒(méi)有反映，則上位機(jī)就認(rèn)為A機(jī)不正常，跳過(guò)A機(jī)詢問(wèn)B機(jī)。

由于在數(shù)據(jù)包頭已經(jīng)包含了目標(biāo)地址碼，所以在命令子機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)命令中無(wú)須再出現(xiàn)地址碼。我規(guī)定，“TALK*”為讓子機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的命令。

上位機(jī)每次請(qǐng)求子機(jī)發(fā)言，都必須是在上一次通訊結(jié)束后才能開(kāi)始下一次通訊。否則會(huì)引起總線沖突。同時(shí)詢問(wèn)的次數(shù)必須考慮傳輸?shù)牟ㄌ芈逝c子機(jī)的計(jì)算速度，否則會(huì)導(dǎo)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(jī)械部分完成實(shí)際的任務(wù)。它是直接面對(duì)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(dá)與舵機(jī)，采集傳感器數(shù)值并發(fā)送，采集人的決策或根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)自動(dòng)作出決策，協(xié)調(diào)各機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和任務(wù)分配等。

我規(guī)定，一條命令由兩個(gè)字節(jié)組成。第一個(gè)字節(jié)為設(shè)備代碼，第二個(gè)字節(jié)為狀態(tài)代碼。每個(gè)數(shù)據(jù)包可以包含多條命令，由于設(shè)備代碼只有256個(gè)，所以每個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度最多只有515字節(jié)，因此無(wú)須分割。

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

當(dāng)子機(jī)接收到了有效數(shù)據(jù)時(shí)，便將其第一條命令剝離，解釋，執(zhí)行，然后再把第二條命令剝離，解釋，執(zhí)行，直到全部命令都被剝離完。

上位機(jī)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”，接著分離為“A的1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)，2號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)”，“B的1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)，2號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)”，最后分為2個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。