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目前，機器人遙操作系統已成為機器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在機器人遙操作的過(guò)程中，本地服務(wù)器與遠程客戶(hù)機之間的網(wǎng)絡(luò )通信問(wèn)題是遙操作的關(guān)鍵環(huán)節。針對機器人遙操作的通信問(wèn)題，本文設計了一種在Windows XP環(huán)境下，運用Socket實(shí)現的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通信平臺。 1 Socket編程原理 1.1 Socket簡(jiǎn)介 Socket（套接字）最初是加州大學(xué)伯克利分校為UNIX操作系統開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )通信接口。后來(lái)Intel, Microsoft, Sun等網(wǎng)絡(luò )廠(chǎng)商將其移植到Windows中，形成了Windows Sockets規范，它定義了一套Windows環(huán)境下網(wǎng)絡(luò )編程的接口。利用Windows Socket開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )通信程序的層次結構如圖1示。 圖1 Sockets編程的結構 根據傳輸數據類(lèi)型的不同，Sockets可分為流式套接字（SOCK_STREAM）和數據報式套接字（SOCK_DGRAM）兩類(lèi)。流式套接字提供面向連接、可靠的數據傳輸服務(wù)，數據無(wú)差錯、無(wú)重復的發(fā)送，且按發(fā)送順序接受。流式套接字實(shí)際上是基于TCP協(xié)議實(shí)現的。數據報式套接字提供無(wú)連接服務(wù)。數據報以獨立包形式發(fā)送，不提供無(wú)錯保證，數據可能丟失或重復，并且接受順序混亂。數據報套接字實(shí)際上是基于UDP協(xié)議實(shí)現的。 按照套接字在客戶(hù)機/服務(wù)器（Client/ Server）模式中的功能可將其分為兩類(lèi)： *套接字：該套接字位于服務(wù)器端，它的主要功能就是對特定的端口進(jìn)行不斷的*，當檢測到有連接請求時(shí)，接受申請，并構造一個(gè)新的客戶(hù)端套接字，與連接申請方的客戶(hù)端套接字建立連接，從而為雙方的通信做好準備。 客戶(hù)端套接字：該套接字是用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信的實(shí)體。它位于客戶(hù)機和服務(wù)器上，服務(wù)器必須維持它為之服務(wù)的客戶(hù)一樣數量的這種套接字，形成一個(gè)以服務(wù)器為中心的星型結構。 1.2 TCP網(wǎng)絡(luò )通信平臺設計步驟 基于Internet的機器人遙操作技術(shù)是現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和機器人控制技術(shù)的結合，Internet使用網(wǎng)際分組交換協(xié)議TCP/IP作為通信規范，它包括 TCP, UDP和ICMP等協(xié)議。其中TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，要求在數據交換以前必須與通信方建立一條連接、它具有分段和重組功能，能夠確保數據可靠、有序地傳輸。 TCP通信整個(gè)過(guò)程可以分成三個(gè)階段:連接建立、數據傳輸和拆除連接。 （1）連接建立階段：首先服務(wù)器中的*套接字對斷口進(jìn)行偵聽(tīng)，客戶(hù)端的套接字向服務(wù)器端的特定斷口提出連接申請。 （2）通信階段：這是整個(gè)過(guò)程的核心部分，任務(wù)就是負責數據的收發(fā)。 （3）拆除連接階段：在傳完數據之后，關(guān)閉套接字，釋放所分配的資源。 使用Soeket編寫(xiě)TCP通信程序的主要步驟如下： 1） 構造 Soeket對象 ; 2） 使用該對象構造基本的Socket句柄。由于遙操作的數據通信要求可靠，準確，故采用TCP協(xié)議，套接字使用流式套接字; 3）建立客戶(hù)機CSocket，調用Connect（）建立與服務(wù)器套接字的連接.服務(wù)器調用Listen（）*請求連接情況，并在收到客戶(hù)端請求后調用Accept（）接收客戶(hù)端連接. 4） 構造CSocketFile對象，并使用CSocket對象與之關(guān)聯(lián). 5） 構造CArchive對象 ，用于接受和發(fā)送數據。使用CArchive對象來(lái)進(jìn)行客戶(hù)端與服務(wù)器端之間的Socket通信 6） 通信結束，關(guān)閉套接字，退出程序。 2 TCP網(wǎng)絡(luò )通信平臺程序的實(shí)現 本程序是為機器人遙操作的通信所搭建的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信平臺，該平臺實(shí)現了本地服務(wù)器與遠程客戶(hù)機之間的數據網(wǎng)絡(luò )通信，系統結構圖如圖2所示。 圖2 遙操作系統結構圖 本文的程序設計是基于TCP/IP協(xié)議的，使用客戶(hù)機/服務(wù)器模式。本程序設計調試的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境為采用Windows XP中的 TCP/IP協(xié)議配置的局域網(wǎng)，服務(wù)器的的IP地址是“192.168.0.104”，通信端口可任意設置，本文設為4231。 2.1 通信平臺程序的實(shí)現流程 服務(wù)器是控制機器人的主控制臺，通過(guò)服務(wù)器可以控制機器人的爬行、檢測以及轉向等。本文中服務(wù)器端程序，主要是建立一個(gè)能夠讓客戶(hù)端連接的端口，并通過(guò)*，與需要連接的客戶(hù)端建立連接，并與其進(jìn)行數據信息通信，將機器人傳感器獲取的機器人的狀態(tài)信息發(fā)送給客戶(hù)端來(lái)實(shí)現遠程信號處理，并接收來(lái)自的客戶(hù)端的控制信息以實(shí)現對機器人的操控。 客戶(hù)機端是對機器人進(jìn)行遠程控制的計算機，它通過(guò)請求與服務(wù)器建立連接之后，將控制信息傳送給服務(wù)器端，服務(wù)器端根據控制信息實(shí)現對機器人控制。而且，客戶(hù)機端還能夠接受服務(wù)器傳送過(guò)來(lái)的機器人狀態(tài)信息，以便對機器人獲取的信息進(jìn)行處理。本文的客戶(hù)機端程序通過(guò)Connect（）與服務(wù)器建立連接，來(lái)達到相互通信的目的。 網(wǎng)絡(luò )通信平臺實(shí)現的流程圖如圖3所示。服務(wù)器端程序是通信平臺的核心部分，本文的服務(wù)器端程序不僅可以實(shí)現與一個(gè)遠程客戶(hù)機端的單對單通信，而且可以與多個(gè)客戶(hù)機端同時(shí)進(jìn)行通信�？蛻�(hù)機端程序相對于服務(wù)器端程序比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有了服務(wù)器端程序的*程序和接受連接程序，但是比服務(wù)器端增加了連接程序。連接程序和*程序是區別于服務(wù)器端程序和客戶(hù)機端程序的標志。 圖3 通信平臺流程圖 （1） *程序 Listen（）（*程序）是服務(wù)器程序區別于客戶(hù)機端程序最主要的標志，服務(wù)器端通過(guò)*程序來(lái)*有沒(méi)有客戶(hù)機端請求連接。當有客戶(hù)機提出連接請求，通過(guò)*程序將連接請求發(fā)至服務(wù)器來(lái)建立兩者之間的連接，服務(wù)器與客戶(hù)機才能實(shí)現通信。*程序還是區別使用了流式套接字或數據報式套接字的標志。*程序的存在為網(wǎng)絡(luò )通信提供了可靠、無(wú)差錯的連接。 （2）連接程序 Connect（）（連接程序）是客戶(hù)端中所獨有的程序，是向服務(wù)器端發(fā)送連接請求所編寫(xiě)的。連接程序在收到客戶(hù)機端需要連接服務(wù)器的請求之后，就會(huì )發(fā)送所需要連接的服務(wù)器IP地址和服務(wù)器端口。發(fā)送之后會(huì )等待連接消息的反饋消息，來(lái)確認客戶(hù)機端是否連接成功。 （3） 接受連接程序 Accept（）（接收連接程序）是客戶(hù)機端對應于客戶(hù)機端連接程序而編寫(xiě)的，該程序可以實(shí)現對連接程序的反饋。當程序接收到客戶(hù)機端程序發(fā)來(lái)的連接請求時(shí)，會(huì )對客戶(hù)機反饋回連接是否成功的消息，而且該程序可以獲取要求連接的客戶(hù)機端的IP地址和端口，以便服務(wù)器端可以記錄客戶(hù)機端的連接狀態(tài)信息。 （4）發(fā)送消息程序 Send（）（發(fā)送消息程序）可以實(shí)現控制信息實(shí)時(shí)地從遠程操作者一方發(fā)向服務(wù)器，而機器人的狀態(tài)信息又通過(guò)各種傳感器（如視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器等）獲取后，由服務(wù)器反饋給遠程客戶(hù)端。 （5）接收消息程序 Receive（）（接收消息程序）可以實(shí)現客戶(hù)機或者服務(wù)器端接收來(lái)自對方發(fā)送的數據消息。該程序在服務(wù)器和客戶(hù)機中都是一致的，配合發(fā)送消息程序實(shí)現了客戶(hù)機和服務(wù)器之間的數據消息通信。 2.2 實(shí)驗結果 本文的網(wǎng)絡(luò )通信平臺運行之后的界面輸出圖像如圖4所示。 圖4（a）顯示的是服務(wù)器端運行之后的界面。服務(wù)器端是該程序的核心端，所有客戶(hù)端的數據都將傳輸到服務(wù)器端，客戶(hù)端之間通信需要通過(guò)服務(wù)器端進(jìn)行中轉。而本文所設計的程序中的服務(wù)器端不僅可以實(shí)現以廣播的形式向所有連接到該服務(wù)器的客戶(hù)端發(fā)送信息，還可以以單對單通信的方式向單個(gè)的客戶(hù)端進(jìn)行通信。在圖 4（a）中就顯示了服務(wù)器端分別利用這兩種方式進(jìn)行了通信。點(diǎn)擊界面中的發(fā)送按鈕就采取廣播式發(fā)送信息，而點(diǎn)擊界面中的1和2兩個(gè)按鈕則是對特定客戶(hù)端發(fā)送數據。 本文設計的程序可以支持多個(gè)不同的 圖4 通信平臺運行界面 客戶(hù)端和服務(wù)器進(jìn)行連接并通信。圖4（b）顯示的是IP為“192.168.0.106”的客戶(hù)端和服務(wù)器建立連接之后的通信，而圖4（c）則是IP為“192.168.0.110”的客戶(hù)端和服務(wù)器通信的界面。 3 實(shí)驗性能分析 1.時(shí)延和數據的丟失問(wèn)題 機器人遙操作要求數據傳輸要具備可靠性和次序性，TCP協(xié)議提供了可靠而有序的傳輸，基于這一特性，可以在傳輸過(guò)程中使用超時(shí)重傳、分段、重組等檢錯糾錯策略，通過(guò)這些檢錯糾錯策略可以保證在數據傳輸過(guò)程中的可靠性和有序性，可以有效的防止數據的丟失。 機器人遠端遙操作控制的采用并不意味著(zhù)實(shí)時(shí)控制作用被上移到網(wǎng)絡(luò )，實(shí)時(shí)控制依然由現場(chǎng)的控制單元來(lái)完成，而網(wǎng)絡(luò )遙操作更關(guān)注的是對現場(chǎng)信息的監視和管理以及對機器人的非實(shí)時(shí)控制，所以TCP通信在傳輸過(guò)程中存在的時(shí)延問(wèn)題也就顯得影響不大。 2.數據共享問(wèn)題及其解決方案 由于本文中程序是多任務(wù)多線(xiàn)程的，當多個(gè)客戶(hù)端同時(shí)連接到服務(wù)器時(shí)，多任務(wù)、多線(xiàn)程就極易造成數據共享問(wèn)題。數據共享問(wèn)題可以解釋如下：假定有多個(gè)函數（或者ISR、任務(wù)）共享一個(gè)變量，如果在某一時(shí)刻存在對該變量的數值的操作，并且在對其施加操作的的過(guò)程中，僅有部分操作完成，還有一部分沒(méi)有完成，若在此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，如果此時(shí)還有另一個(gè)函數也在共享該變量，且前面的操作已經(jīng)完成，該變量的數值可能與預期的不同。因此，當一個(gè)函數與另一個(gè)函數共享某變量時(shí)，所調用的ISR或者另一個(gè)函數都有可能改變此變量，是變量的數值發(fā)生變化，在返回時(shí)此變量的新數值將從堆棧轉載到四個(gè)寄存器中，未完成的操作將按照寄存器中的新數值執行，程序就會(huì )發(fā)生錯誤。 在本文中，利用了以下措施消除了程序中由共享數據問(wèn)題所導致的錯誤。 1） 對于從中斷返回的變量，在聲明中使用了volatile。此聲明可以警告編譯器，這些變量是可更改的。 2）在中斷之前將完全執行的部分中對原子指令使用可再生函數，此部分叫臨界段。 3） 將共享的變量放入循環(huán)隊列中。需要使用該變量數值的函數總是從隊列的前端將其刪除。而另一些寫(xiě)入該變量的數值的函數總是從隊列的末端進(jìn)行操作。 4）在臨界段開(kāi)始執行之前通過(guò)使用信號量來(lái)關(guān)閉中斷，在其完成之時(shí)打開(kāi)中斷。 4 結論 本文設計了一種基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通信平臺，通過(guò)該平臺可以實(shí)現遠程客戶(hù)機與本地服務(wù)器之間的信息通信，而且保證了數據傳輸的可靠性和次序性，對機器人的遙操作提供了可靠的網(wǎng)絡(luò )通信條件。 網(wǎng)絡(luò )通信平臺的建立，擴大了對機器人操作的遠程化距離，而且該平臺具有架構容易，低成本，維護便利等優(yōu)點(diǎn)，對機器人遙操作領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步將會(huì )起到幫助作用。 |
