一种基于UWB技术的多智能体无线网络动态组网方法

一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法
技术领域
1.本发明涉及多智能体自组网的技术领域，尤其是指一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法。


背景技术：

2.多智能体在集体协作作业过程中，各智能体相互之间的通信和定位是多智能协作的基础。图1是多个智能体在一个空间中，采用ieee 802.15.4-2011（ultra-wideband，uwb，超宽带）作为mac（media access control, mac, 介质访问控制）层和物理层通信标准的相互通信结构图，没有固定的基站，各个智能体地位平等，需要自组织地实现相互之间的通信和测距定位。虽然采用ieee 802.15.4-2011 uwb通信协议可以实现智能体之间的通信和测距定位，但是在一个空间中，多个智能体共享一个通信频道，需要进行分时通信，现有的tsmp协议需要为其时间同步消耗大量的通信时间，而且需要一个网关来负责整个网络的时间同步，因此tsmp协议不适合无专用网关的各智能体地位平等的多智能体系统，对于具有智能体的随机入网和退网的多智能体系统，tsmp协议更是无能为力。因此，需要建立适合随机加入和退出功能的多智能体的自组织网络机制和通信协议，该协议需要在ieee 802.15.4-2011协议的mac层基础上实现通信和测距定位一体化。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，提高多智能体通信和测距定位效率，并且保证足够的鲁棒性，动态调整智能体的角色来管理和维护整个网络，实现新节点加入和故障节点退出后能自动快速恢复通信，并且实现通信和测距一体化。
4.本发明通过下述技术方案实现：一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，该方法是在uwb通信协议的基础上，定义llc子层中集成有智能体的测距定位、过程数据和网络管理表数据的通信协议数据帧以及通信机制，将各个智能体的过程数据附加在测距定位和网络管理表数据的通信协议数据帧中进行传输；其中，每个智能体代表一个节点，所述节点的状态包括待机状态、外监听状态、主令牌状态和从监听状态，通过各个节点之间的令牌竞争或令牌顺序传递，使无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点，主令牌节点执行多令牌检测任务和测距与通信管理任务，其它节点通过监听主令牌节点与从监听节点之间测距通信所产生的过程数据和网络管理表数据，进而建立多智能体的全局状态信息，并依据全局状态信息完成智能体各自的个体任务，最终实现整个无线网络的均衡通信和测距定位。
5.进一步，所述无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点具体执行如下操作：当节点的状态处于待机状态，即为待机节点时，通过外部启动或重新上电使待机节点转移为外监听节点；若节点在运行时出现通信故障则转为待机节点；当节点为外监听节点时，且没有发现其它节点的通信消息帧存在，则认为此时无网络，该节点继续为外监听
节点，若发现多智能体的通信网络已经存在，则等待当前通信网络的主令牌节点广播容许加入网络消息帧，外监听节点在收到该消息帧之后，通过申请加入网络并转移为从监听节点；若外监听状态的节点在令牌竞争中获胜，则该节点的状态从外监听状态转移为主令牌状态，若外监听状态的节点在令牌竞争中失败，则该节点从外监听状态转移为从监听状态；主令牌节点完成与各个从监听节点的测距以及容许外监听节点加入网络的任务后，按照网络管理表的顺序选择一从监听节点，把令牌传递给该从监听节点，该从监听节点转为新的主令牌节点，而原主令牌节点则转为从监听节点；当各个从监听节点在预设时间内未收到主令牌节点的消息帧时，则认为无线网络已经无主令牌节点，进而按照网络管理表保存的令牌传递顺序来自主设定新的主令牌节点，以保证无线网络中始终存在主令牌节点；若发现无线网络中有多个主令牌节点时，则节点地址大的主令牌节点主动放弃令牌而成为从监听节点。
6.进一步，外监听节点的令牌竞争和加入网络操作具体如下：外监听节点在竞争令牌中，不断按照预设周期内的随机时刻进行广播申请成为主令牌节点的消息帧，而在其它时刻则进行接收其它节点消息；若接收到其它节点申请成为主令牌节点的消息帧，则进行该节点地址与本外监听节点地址的比较，若本外监听节点地址小于收到的申请成为主令牌节点的节点地址，则认为本外监听节点获胜，继续随机广播申请成为主令牌节点的消息帧，该广播过程持续预设时间且无其它节点进行竞争申请，则本外监听节点竞争胜利而改变状态成为主令牌节点；若本外监听节点地址大于其它申请成为主令牌节点地址，则不再广播申请成为主令牌节点的消息，认为竞争失败，广播申请主令牌节点失败消息帧，进而改变状态转为从监听节点；若既没有收到申请主令牌节点消息帧也没有收到失败帧，则认为此时网络中无竞争节点，整个网络只有本外监听节点，则继续监听网络通信，继续等待其它节点的启动和加入；在外监听节点申请加入网络中，外监听节点等待接收主令牌节点的入网申请许可阶段，并在该阶段申请成为从监听节点；外监听节点收到主令牌节点的容许加入网络消息帧后，在预设时间间隔内产生一个随机时刻发送申请加入网络消息帧，当主令牌节点收到该帧后，立即为外监听节点分配顺序号、更改网络管理表中的角色数据，并广播确认消息帧；外监听节点收到确认帧之后，表明加入成功，外监听节点转入从监听节点状态；若加入失败，外监听节点则继续监听网络通信，等待下一个容许加入网络消息帧。
7.进一步，所述多令牌检测任务具体执行以下操作：所述多令牌检测任务是检测主令牌节点是否收到另外一个主令牌节点的消息，若收到消息且该主令牌节点的mac短地址比另一个主令牌节点的mac短地址小，则该主令牌节点主动放弃令牌，并转为从监听节点，否则继续进行监听网络消息帧。
8.进一步，所述测距与通信管理任务具体执行以下操作：所述测距与通信管理任务包括测距阶段、容许入网阶段和转出令牌阶段；在测距阶段中，主令牌节点按照顺序依次选择各个从监听节点进行uwb测距，uwb测距采用双侧双向测距的方式；在双侧双向测距通信中，分别根据通信时无线电信号离开各自天线的时间和每个节点发送消息帧的时间差，计算出无线电在两根天线之间的传播时间，从而得到主令牌节点和从监听节点之间的距离，每次测距通信均产生网络管理表数据和过程数据，无线网络中的其它节点通过监听网络管理表数据和过程数据获得无线网络的实时状态和实
时过程数据，并通过监听机制更新智能体内部的网络管理表，通过周期性的网络通信数据建立多智能体全局状态信息，从而获得整个多智能体的工作状态，并依据全局状态信息及其发生的时间完成智能体个体的任务，所述智能体个体的任务包括智能体节点角色转换和多智能体协作作业；当主令牌节点完成所有与从监听节点的测距后进入容许入网阶段，主令牌节点广播容许入网消息帧后，等待外监听节点发送申请入网消息帧，若有外监听节点发送申请入网消息帧，则为该外监听节点分配顺序号、更新节点状态和数据表，并继续广播容许入网消息帧，直到持续预设时间间隔后仍未收到外监听节点的申请入网消息帧，则认为无外监听节点申请入网，进入转出令牌阶段；在转出令牌阶段时，主令牌节点按照网络管理表中顺序选择排在本主令牌节点之后的节点进行令牌转出，若转出成功则该主令牌节点转为从监听节点，若转出不成功，则继续选择下一个排序之后的从监听节点进行令牌转出操作，令牌转出过程中，主令牌节点与其选择的从监听节点需要进行令牌转移消息帧、接受转移消息帧、确认消息帧三次握手才完成令牌成功转移，保证令牌转移的可靠性。
9.进一步，所述从监听节点具体执行以下操作：从监听节点持续监听网络通信的消息帧，当消息帧判断为定位消息帧时，从监听节点配合主令牌节点完成双侧双向测距，测距通信过程中产生的过程数据和节点的顺序号也夹在测距通信帧中传输；当消息帧判断为接受令牌帧时，从监听节点完成令牌接受并转为主令牌节点；若在预设时间内从监听节点未接收到主令牌节点的消息帧，则认为此时已经无主令牌节点，按照该从监听节点与原主令牌节点之间顺序号差进行时间等待；当从监听节点为临时顺序号时，该从监听节点不进行主令牌节点的转换等待；等待时间窗口为（k 1,k 2），其中k≥1，k为从监听节点与原主令牌节点的顺序号之差，若在等待过程中从监听节点收到新的主令牌节点的消息帧则更新网络管理表，并继续监听网络通信；若从监听节点在等待时间内未收到主令牌节点消息帧，则该从监听节点生成令牌并转为新的主令牌节点，否则继续监听网络通信。
10.进一步，每个智能体的通信系统包括：主mcu模块，用于实现智能体的应用层协议数据的采集和应用，以及智能体的动作执行；通信mcu模块，用于实现智能体的llc层协议、控制uwb通信电路完成mac数据收发以及进行测距计算；uwb通信电路和uwb天线，用于实现uwb通信协议的mac子层和phy层；所述主mcu模块与通信mcu模块之间通过can-fd总线实现双向通信，用于完成过程数据和测距定位数据的双向传输；所述通信mcu模块与uwb通信电路采用spi接口通信，采用中断方式提高通信mcu的响应速度，所述uwb通信电路与uwb天线通信连接。
11.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本发明把测距定位、过程数据和网络管理通信三者集成在llc子层中，提高了通信效率和通信实时性。
12.2、定义无线网络的动态令牌生成、传递和管理机制，能够实现快速自组织通信。
13.3、通过监听机制把连续多次的智能体交互数据总结为多智能体全局实时数据，建
立网络管理表，提高了智能体决策的可靠性和准确性。
14.4、采用动态主从通信模式实现测距定位和令牌传递通信，具有多主通信和主从通信两者的优点，提高了通信的可靠性和公平性。
附图说明
15.图1为多智能体的自组织通信的结构示意图。
16.图2为多智能体的通信状态机图。
17.图3为外监听节点的活动流程图。
18.图4为主令牌节点的活动流程图。
19.图5为从监听节点的活动流程图。
20.图6为智能体的llc数据帧格式示意图。
21.图7为智能体内部通信系统的结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
23.参见图2所示，为本实施例所提供的基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，该方法是在uwb通信协议的基础上，定义llc子层中集成有智能体的测距定位、过程数据和网络管理表数据的通信协议数据帧以及通信机制，将各个智能体的过程数据附加在测距定位和网络管理表数据的通信协议数据帧中进行传输；其中，每个智能体代表一个节点，智能体个体在整个通信系统中动态地承担不同角色来实现节点之间的相互通信和相互测距定位，同时管理整个网络，实现新节点等待加入、故障节点退出、无令牌网络和多令牌网络的修复功能，所述节点的状态包括待机状态、外监听状态、主令牌状态和从监听状态，通过各个节点之间的令牌竞争或令牌顺序传递，使无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点，主令牌节点执行多令牌检测任务和测距与通信管理任务，其它节点通过监听主令牌节点与从监听节点之间测距通信所产生的过程数据和网络管理表数据，进而建立多智能体的全局状态信息，并依据全局状态信息完成智能体各自的个体任务，最终实现整个无线网络的均衡通信和测距定位。
24.其中，当节点的状态处于待机状态，即为待机节点时，通过外部启动或重新上电使待机节点转移为外监听节点；若节点在运行时出现通信故障则转为待机节点；当节点为外监听节点时，且没有发现其它节点的通信消息帧存在，则认为此时无网络，该节点继续为外监听节点，若发现多智能体的通信网络已经存在，则等待当前通信网络的主令牌节点广播容许加入网络消息帧，外监听节点在收到该消息帧之后，通过申请加入网络并转移为从监听节点；若节点在令牌竞争中获胜，则该节点的状态从外监听状态转移为主令牌状态，若节点在令牌竞争中失败，则该节点从外监听状态转移为从监听状态；主令牌节点完成与各个从监听节点的测距以及容许外监听节点加入网络的任务后，按照网络管理表的顺序选择一从监听节点，把令牌传递给该从监听节点，该从监听节点转为新的主令牌节点，而原主令牌节点则转为从监听节点；当各个从监听节点在2s内未收到主令牌节点的消息帧时，则认为无线网络已经无主令牌节点，进而按照网络管理表保存的令牌传递顺序来自主设定新的主令牌节点，以保证无线网络中始终存在主令牌节点；若发现无线网络中有多个主令牌节点
时，则节点地址大的主令牌节点主动放弃令牌而成为从监听节点；从而实现整个多智能体系统动态地有且仅有一个主令牌节点，保证多智能体系统可靠地自组织完成通信、定位和网络管理；按照ieee802.15.4标准给每个节点分配地址，包括一个pan（个域网）编号（2字节）和mac短地址（2字节）共4个字节，每个智能体的地址具有唯一性，在智能体工作前被预先配置完成。参见图6所示，给出了mac子层的载荷即llc子层的帧格式，包括llc帧类型（即mac载荷标识，1字节）、节点角色和通信状态（1字节）、顺序号（2字节）和过程数据（可变长度），llc帧类型1字节的低3位分别为b0位表示角色和通信状态数据的有/无（1/0）、b1位表示顺序号2字节的有/无（1/0）、b2位表示过程数据的有/无（1/0），其它位保留作为其它用途；整个多智能体的通信不需要精确的时间同步，同时也把顺序号和过程数据在一起进行夹带式的数据发送，即把管理数据和过程数据一体发送，减少了通信次数，提高了实时性。顺序号是主令牌节点给网络中每个节点分配的一个传递令牌的一个节点顺序编号（2字节），最高位b15位0/1分别代表读/写，b14位表示b13~b00为排序前（b14 =1，临时顺序号）或者排序后（b14=0，排序后顺序号）的顺序号，b13~b00为顺序号值；b15=0表示该节点的顺序号为后续b13~b00所表示的数值，b15=1表示把该节点的顺序号配置为后续b13~b00所表示的数值（在0~16383之间）；出厂时顺序号的初始值为2，在运行过程中由主令牌节点进行配置，并告知全网络的其它节点；当网络中因为某种因素使得全网无主令牌节点时，按照节点顺序号进行主令牌节点的产生；当主令牌节点需要传递令牌时，按照顺序号进行令牌传递；mac载荷中的过程数据包括距离位置和电池能量等测量数据，每次只传递一部分变量数据，满足ieee802.15.4的短数据帧要求，通过多次夹带的方式按照采样周期确定通信周期把所有过程数据夹带传输。本发明把智能体的过程数据夹带附加在测距定位和网络管理数据帧中传输，减少了网络通信次数，提高了通信效率和通信的实时性；过程数据的格式采用变量编号 变量数值的格式，每个智能体中保存变量编号的变量名称和类型的表，即数据字典，根据数据字典实现智能体之间的数据交换。
25.参见图3所示，当节点处于外监听状态时，即外监听节点的活动流程，节点不断监听网络通信（step1a）；根据5秒钟内是否收到主令牌节点发送的消息帧来判断有无网络（step1b）。如果无网络，则进入竞争令牌节点阶段（step1c），否则进入申请加入网络节点状态（step1d）。在竞争令牌节点阶段（step1c），不断按照2秒周期内的随机时刻进行广播申请成为主令牌节点的消息帧，在其它时刻接收其它节点消息。若接收到其它节点申请成为主令牌节点的消息帧，则进行该节点地址与本节点地址的比较，若本节点地址小于收到的申请成为主令牌节点的地址，则本节点获胜，继续随机广播申请成为主令牌节点的消息帧，该过程持续2秒钟且无其它节点进行竞争申请，则本节点竞争胜利而成为主令牌节点（step1f）；若本节点地址大于其它申请成为主令牌节点地址，则不再广播申请成为主令牌节点的消息，竞争失败（step1e），广播申请主令牌节点失败消息帧，转入从监听节点状态（step1g）；如果既没有收到申请主令牌节点消息帧也没有收到失败帧，则认为此时网络中无竞争节点，整个多智能体网络系统只有本智能体，则继续监听网络通信（step1a），继续等待其它智能体的启动和加入。在申请加入网络阶段（step1d），本节点等待接收主令牌节点的入网申请许可阶段，并在该阶段申请成为从监听节点；外监听节点收到主令牌节点的容许加入网络消息帧后，在200毫秒内产生一个随机时刻发送申请加入网络消息帧，当主令牌
节点收到该帧后，立即为其分配顺序号、更改网络管理表中的角色数据，并广播确认消息帧（含分配的顺序号和角色等数据）；外监听节点收到确认帧之后，表明加入成功（step1h），外监听节点转入从监听节点状态（step1g）；若加入失败（step1h），则继续监听网络通信，等待下一个容许加入网络消息帧。
26.参见图4所示，为主令牌节点的活动流程图，主令牌节点执行多令牌检测任务和测距与通信管理任务，所述多令牌检测任务（step2d）是检测主令牌节点是否收到另外一个主令牌节点的消息，若收到消息且该主令牌节点的mac短地址比另一个主令牌节点的mac短地址小，同时两者pan地址相同，则该主令牌节点主动放弃令牌，并转为从监听节点，否则继续进行监听网络消息帧。所述测距与通信管理任务包括测距阶段、容许入网阶段和转出令牌阶段；在测距阶段中，主令牌节点按照顺序依次选择各个从监听节点（step2a）进行uwb测距（step2c），uwb测距采用双侧双向测距（double-sided two-way ranging, ds-twr）的方式；在双侧双向测距通信中，主令牌节点与从监听节点之间共发生4次通信，包括主令牌节点发送―从监听节点接收的phase1、从监听节点发送―主令牌节点接收的phase2、主令牌节点发送―从监听节点接收的phase3、从监听节点发送―主令牌节点接收phase4，主令牌节点发送和从监听节点分别根据这四次通信时无线电信号离开各自天线的时间和每个节点发送消息帧的时间差，计算出无线电在两根天线之间的传播时间，从而得到主令牌节点和从监听节点之间的距离，每次测距通信均产生网络管理表数据和过程数据，无线网络中的其它节点通过监听网络管理表数据和过程数据获得无线网络的实时状态和实时过程数据，并通过监听机制更新智能体内部的网络管理表，通过周期性的网络通信数据建立多智能体全局状态信息，从而获得整个多智能体的工作状态，并依据全局状态信息及其发生的时间（即智能体的本地时间，为智能体启动之后的实时时钟所表示的相对于启动时刻的时间）完成智能体个体的任务，所述智能体个体的任务包括智能体节点角色转换和多智能体协作作业；当主令牌节点完成所有与从监听节点的测距后进入容许入网阶段，主令牌节点广播容许入网消息帧（step2e）后，等待外监听节点发送申请入网消息帧，若有外监听节点发送申请入网消息帧，则为该外监听节点分配顺序号、更新节点状态和数据表（step2g），并继续广播容许入网消息帧，直到持续200毫秒后仍未收到外监听节点的申请入网消息帧，则认为无外监听节点申请入网，进入转出令牌阶段；在转出令牌阶段时，主令牌节点按照网络管理表中顺序选择排在本主令牌节点之后的节点进行令牌转出（step2h），若转出成功则该主令牌节点转为从监听节点（step2j），若转出不成功，则继续选择下一个排序之后的从监听节点进行令牌转出操作，令牌转出过程中，主令牌节点与其选择的从监听节点需要进行令牌转移消息帧、接受转移消息帧、确认消息帧三次握手才完成令牌成功转移，保证令牌转移的可靠性。
27.网络管理表存在于每个智能体中，包括节点pan编号（2字节）、mac短地址编号（2字节）、节点角色和通信状态（1字节）和顺序号（2字节），测距等位置数据和过程数据保存在其它的位置数据表和过程数据表中。节点角色和通信状态的1字节中的高半字节表示节点角色状态（空闲、外监听节点状态、主令牌节点状态和从监听节点状态），从多智能体角度来说是智能体角色的转变，从智能体本身来说是通过其状态变化来扮演不同的角色；节点角色和通信状态的1字节中的低半字节表示在不同角色状态时处于不同的阶段，比如在主令牌
节点角色状态时，低半字节可以表示测距通信的phase1、phase2、phase3、phase4的四个阶段；网络管理表代表了整个网络的实时状态和工况，在此基础上实现自组织网络通信和测距定位等功能；智能体对网络管理表的维护主要包括更新表中的数据和按照mac地址进行排序，排序后把该节点的临时顺序号改为排序后的顺序号，排序后网络管理表可以提高其查找速度。
28.参见图5所示，为从监听节点的活动流程图。从监听节点持续监听网络通信的消息帧（step3a），当消息帧判断为定位消息帧时（step3b），从监听节点配合主令牌节点完成双侧双向测距（step3c），测距通信过程中产生的过程数据和节点的顺序号也夹在测距通信帧中传输；当消息帧判断为接受令牌帧时（step3e），从监听节点完成令牌接受并转为主令牌节点（step3f）；若在预设时间内从监听节点未接收到主令牌节点的消息帧，则认为此时已经无主令牌节点，按照该从监听节点与原主令牌节点之间顺序号差进行时间等待；当从监听节点为临时顺序号时，该从监听节点不进行主令牌节点的转换等待；等待时间窗口为（k 1,k 2），其中k≥1，k为从监听节点与原主令牌节点的顺序号之差，若在等待过程中从监听节点收到新的主令牌节点的消息帧则更新网络管理表（step3d），并继续监听网络通信（step3a）；若从监听节点在等待时间内未收到主令牌节点消息帧，则该从监听节点生成令牌并转为新的主令牌节点（step3f），否则继续监听网络通信（step3a），通过该机制按照固定顺序快速生成主令牌节点，提高系统的鲁棒性和实时性。
29.参见图7所示，为智能体内部通信系统的结构。每个智能体的通信系统包括主mcu模块，用于实现智能体的应用层协议数据的采集和应用，以及智能体的动作执行；通信mcu模块，采用stm32g431，用于实现智能体的llc层协议、控制uwb通信电路完成mac数据收发以及通过phy层进行测距计算；uwb通信电路和uwb天线，用于实现uwb通信协议的mac子层和phy层，其中uwb通信电路的uwb收发器采用dw1000；所述主mcu模块与通信mcu模块之间通过can-fd总线实现双向通信，用于完成过程数据和测距定位数据的双向传输；所述通信mcu模块与uwb通信电路采用spi接口通信，采用中断方式提高通信mcu的响应速度，所述uwb通信电路与uwb天线通信连接。
30.以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于：该方法是在uwb通信协议的基础上，定义llc子层中集成有智能体的测距定位、过程数据和网络管理表数据的通信协议数据帧以及通信机制，将各个智能体的过程数据附加在测距定位和网络管理表数据的通信协议数据帧中进行传输；其中，每个智能体代表一个节点，所述节点的状态包括待机状态、外监听状态、主令牌状态和从监听状态，通过各个节点之间的令牌竞争或令牌顺序传递，使无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点，主令牌节点执行多令牌检测任务和测距与通信管理任务，其它节点通过监听主令牌节点与从监听节点之间测距通信所产生的过程数据和网络管理表数据，进而建立多智能体的全局状态信息，并依据全局状态信息完成智能体各自的个体任务，最终实现整个无线网络的均衡通信和测距定位。2.根据权利要求1所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，所述无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点具体执行如下操作：当节点的状态处于待机状态，即为待机节点时，通过外部启动或重新上电使待机节点转移为外监听节点；若节点在运行时出现通信故障则转为待机节点；当节点为外监听节点时，且没有发现其它节点的通信消息帧存在，则认为此时无网络，该节点继续为外监听节点，若发现多智能体的通信网络已经存在，则等待当前通信网络的主令牌节点广播容许加入网络消息帧，外监听节点在收到该消息帧之后，通过申请加入网络并转移为从监听节点；若外监听状态的节点在令牌竞争中获胜，则该节点的状态从外监听状态转移为主令牌状态，若外监听状态的节点在令牌竞争中失败，则该节点从外监听状态转移为从监听状态；主令牌节点完成与各个从监听节点的测距以及容许外监听节点加入网络的任务后，按照网络管理表的顺序选择一从监听节点，把令牌传递给该从监听节点，该从监听节点转为新的主令牌节点，而原主令牌节点则转为从监听节点；当各个从监听节点在预设时间内未收到主令牌节点的消息帧时，则认为无线网络已经无主令牌节点，进而按照网络管理表保存的令牌传递顺序来自主设定新的主令牌节点，以保证无线网络中始终存在主令牌节点；若发现无线网络中有多个主令牌节点时，则节点地址大的主令牌节点主动放弃令牌而成为从监听节点。3.根据权利要求2所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，外监听节点的令牌竞争和加入网络操作具体如下：外监听节点在竞争令牌中，不断按照预设周期内的随机时刻进行广播申请成为主令牌节点的消息帧，而在其它时刻则进行接收其它节点消息；若接收到其它节点申请成为主令牌节点的消息帧，则进行该节点地址与本外监听节点地址的比较，若本外监听节点地址小于收到的申请成为主令牌节点的节点地址，则认为本外监听节点获胜，继续随机广播申请成为主令牌节点的消息帧，该广播过程持续预设时间且无其它节点进行竞争申请，则本外监听节点竞争胜利而改变状态成为主令牌节点；若本外监听节点地址大于其它申请成为主令牌节点地址，则不再广播申请成为主令牌节点的消息，认为竞争失败，广播申请主令牌节点失败消息帧，进而改变状态转为从监听节点；若既没有收到申请主令牌节点消息帧也没有收到失败帧，则认为此时网络中无竞争节点，整个网络只有本外监听节点，则继续监听网络通信，继续等待其它节点的启动和加入；在外监听节点申请加入网络中，外监听节点等待接收主令牌节点的入网申请许可阶段，并在该阶段申请成为从监听节点；外监听节点收到主令牌节点的容许加入网络消息帧
后，在预设时间间隔内产生一个随机时刻发送申请加入网络消息帧，当主令牌节点收到该帧后，立即为外监听节点分配顺序号、更改网络管理表中的角色数据，并广播确认消息帧；外监听节点收到确认帧之后，表明加入成功，外监听节点转入从监听节点状态；若加入失败，外监听节点则继续监听网络通信，等待下一个容许加入网络消息帧。4.根据权利要求1所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，所述多令牌检测任务具体执行以下操作：所述多令牌检测任务是检测主令牌节点是否收到另外一个主令牌节点的消息，若收到消息且该主令牌节点的mac短地址比另一个主令牌节点的mac短地址小，则该主令牌节点主动放弃令牌，并转为从监听节点，否则继续进行监听网络消息帧。5.根据权利要求1所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，所述测距与通信管理任务具体执行以下操作：所述测距与通信管理任务包括测距阶段、容许入网阶段和转出令牌阶段；在测距阶段中，主令牌节点按照顺序依次选择各个从监听节点进行uwb测距，uwb测距采用双侧双向测距的方式；在双侧双向测距通信中，分别根据通信时无线电信号离开各自天线的时间和每个节点发送消息帧的时间差，计算出无线电在两根天线之间的传播时间，从而得到主令牌节点和从监听节点之间的距离，每次测距通信均产生网络管理表数据和过程数据，无线网络中的其它节点通过监听网络管理表数据和过程数据获得无线网络的实时状态和实时过程数据，并通过监听机制更新智能体内部的网络管理表，通过周期性的网络通信数据建立多智能体全局状态信息，从而获得整个多智能体的工作状态，并依据全局状态信息及其发生的时间完成智能体个体的任务，所述智能体个体的任务包括智能体节点角色转换和多智能体协作作业；当主令牌节点完成所有与从监听节点的测距后进入容许入网阶段，主令牌节点广播容许入网消息帧后，等待外监听节点发送申请入网消息帧，若有外监听节点发送申请入网消息帧，则为该外监听节点分配顺序号、更新节点状态和数据表，并继续广播容许入网消息帧，直到持续预设时间间隔后仍未收到外监听节点的申请入网消息帧，则认为无外监听节点申请入网，进入转出令牌阶段；在转出令牌阶段时，主令牌节点按照网络管理表中顺序选择排在本主令牌节点之后的节点进行令牌转出，若转出成功则该主令牌节点转为从监听节点，若转出不成功，则继续选择下一个排序之后的从监听节点进行令牌转出操作，令牌转出过程中，主令牌节点与其选择的从监听节点需要进行令牌转移消息帧、接受转移消息帧、确认消息帧三次握手才完成令牌成功转移，保证令牌转移的可靠性。6.根据权利要求1所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，所述从监听节点具体执行以下操作：从监听节点持续监听网络通信的消息帧，当消息帧判断为定位消息帧时，从监听节点配合主令牌节点完成双侧双向测距，测距通信过程中产生的过程数据和节点的顺序号也夹在测距通信帧中传输；当消息帧判断为接受令牌帧时，从监听节点完成令牌接受并转为主令牌节点；若在预设时间内从监听节点未接收到主令牌节点的消息帧，则认为此时已经无主令牌节点，按照该从监听节点与原主令牌节点之间顺序号差进行时间等待；当从监听节点为临时顺序号时，该从监听节点不进行主令牌节点的转换等待；等待时间窗口为（k 1,k
2），其中k≥1，k为从监听节点与原主令牌节点的顺序号之差，若在等待过程中从监听节点收到新的主令牌节点的消息帧则更新网络管理表，并继续监听网络通信；若从监听节点在等待时间内未收到主令牌节点消息帧，则该从监听节点生成令牌并转为新的主令牌节点，否则继续监听网络通信。7.根据权利要求1所述的一种基于uwb技术的多智能体无线网络动态组网方法，其特征在于，每个智能体的通信系统包括：主mcu模块，用于实现智能体的应用层协议数据的采集和应用，以及智能体的动作执行；通信mcu模块，用于实现智能体的llc层协议、控制uwb通信电路完成mac数据收发以及进行测距计算；uwb通信电路和uwb天线，用于实现uwb通信协议的mac子层和phy层；所述主mcu模块与通信mcu模块之间通过can-fd总线实现双向通信，用于完成过程数据和测距定位数据的双向传输；所述通信mcu模块与uwb通信电路采用spi接口通信，采用中断方式提高通信mcu的响应速度，所述uwb通信电路与uwb天线通信连接。

技术总结
发明公开了一种基于UWB技术的多智能体无线网络动态组网方法，该方法是在UWB通信协议的基础上，每个智能体代表一个节点，所述节点的状态包括待机状态、外监听状态、主令牌状态和从监听状态，通过各个节点之间的令牌竞争或令牌顺序传递，使无线网络中动态保持有且只有一个主令牌节点，主令牌节点执行多令牌检测任务和测距与通信管理任务，其它节点通过监听主令牌节点与从监听节点之间测距通信所产生的过程数据和网络管理表数据，进而建立多智能体的全局状态信息，并依据全局状态信息完成智能体各自的个体任务；本发明提高了多智能体通信和测距定位效率，并且保证足够的鲁棒性，动态调整智能体的角色来维护整个网络，实现通信和测距一体化。测距一体化。测距一体化。


技术研发人员：李向阳 李依晖 刘屿
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.04.24
技术公布日：2022/5/25