機(jī)器人的移動監(jiān)督式控制器設(shè)計

1． 引言

戰(zhàn)爭是人們所不愿意見到的，但有時是不可避免的。為了在戰(zhàn)爭中取得優(yōu)勢，盡可能的減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，世界上許多國家都投入大量的人力、財力研究制造軍用機(jī)器人。陸地微小型探查機(jī)器人是軍用機(jī)器人的一種。它具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，研究周期短，易實(shí)現(xiàn)“群”攻擊等特點(diǎn)。在真實(shí)戰(zhàn)爭中不易被發(fā)覺，容易靠近目標(biāo)，可以獲得大量真實(shí)可靠和及時的數(shù)據(jù)。所以在現(xiàn)階段直接的戰(zhàn)斗型機(jī)器人還沒有突破性進(jìn)展的時候，探查機(jī)器人成為軍用機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。

本文以中國科學(xué)院沈陽自動化研究所正在研制的小型地面探查機(jī)器人“山羊號”為試驗(yàn)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的監(jiān)督式控制器的設(shè)計，并在這個機(jī)器人平臺上驗(yàn)證了監(jiān)督式控制的方式的理論可行性和優(yōu)越性。

2． 監(jiān)督式控制與其他控制方式的比較

移動控制器的設(shè)計是微小型探查機(jī)器人的一個研究重點(diǎn)。發(fā)展現(xiàn)代機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在現(xiàn)有的理論和技術(shù)水平下，研究具備高度智能的全自主機(jī)器人的技術(shù)條件還遠(yuǎn)未成熟；對于野外機(jī)器人來說，由于通訊可靠性和時延性無法保證，環(huán)境多樣性復(fù)雜性導(dǎo)致信息獲取有限，純手動遙操作導(dǎo)致控制可靠性下降，復(fù)雜性增加。所以，研究和設(shè)計面向特定任務(wù)特有環(huán)境下的監(jiān)控式移動機(jī)器人是一種較為現(xiàn)實(shí)和可行的做法。

監(jiān)督控制最早由Ferrell和Sheridan于1967年在美國月球車計劃中明確提出。Sheridan對于監(jiān)督控制的定義為：一個或多個操作員間斷編程且連續(xù)不斷地從計算機(jī)接收信息，計算機(jī)利用傳感器和驅(qū)動器控制進(jìn)程或任務(wù)環(huán)境，負(fù)責(zé)閉環(huán)回路。監(jiān)督控制兩個重要地體現(xiàn)方式是共享控制和交互式控制。交互式控制定義為：操作員先執(zhí)行一部分工作，然后讓機(jī)器人自主地執(zhí)行另一部分工作；共享控制定義為：操作員處于遙操作狀態(tài)，機(jī)器人處于自主狀態(tài)，二者同時執(zhí)行任務(wù)。Sheridan曾列舉了計算機(jī)和人的4種相互關(guān)系：延伸（extend）、分擔(dān)（relieve）、備份（backup）、代替（replace）。人工控制，監(jiān)督控制和自主控制體系結(jié)構(gòu)上的區(qū)別和聯(lián)系，如圖1：

3． 系統(tǒng)構(gòu)成

野外探查機(jī)器人的用途決定這個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)必須簡單，可靠，具備可替換和易升級的標(biāo)準(zhǔn)，使其富有生命力。

3.1 硬件構(gòu)成

該機(jī)器人使用履帶—腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)，復(fù)合型移動機(jī)構(gòu)主要是為移動機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中應(yīng)用而研究的，目的是提高其非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的通過能力。項(xiàng)目稱之為“山羊號”機(jī)器人，見圖2：

核心主控制器使用了瑞士數(shù)字邏輯公司提供的PC104。作為一種比較新型和強(qiáng)大的總線形式和專用控制設(shè)備，PC104 采用了標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)，容易擴(kuò)展功能和端口；具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，使機(jī)器人具有處理速度快能力強(qiáng)的特點(diǎn)；具有良好的耐熱、耐寒、防潮、抗震性能，適應(yīng)惡劣的野外條件。控制臺系統(tǒng)采用了與PLC 類似的德國WOGO 工業(yè)MODBUS 適配器作為控制核心，上位機(jī)下位機(jī)之間的通訊遵循了MODBUS 協(xié)議通過無線數(shù)傳電臺實(shí)現(xiàn)。WOGO 工業(yè)MODBUS 適配器模塊化的軟件設(shè)計，穩(wěn)定可靠，非常適合于機(jī)器人控制臺數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示等應(yīng)用。

機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制各軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)遙操作的核心。本系統(tǒng)采用了DeltaTau 公司提供的PC104 接口的PMAC2 型運(yùn)動控制卡，可以同時控制四個電機(jī)，實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動?？梢詫?shí)現(xiàn)：執(zhí)行運(yùn)動程序、進(jìn)行伺服環(huán)更新、電機(jī)的換相更新、軟硬件安全資源管理、與主機(jī)通信、任務(wù)優(yōu)先級組織等等功能。是一塊極其強(qiáng)大的運(yùn)動控制卡。無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)采用美國MDS 無線數(shù)傳電臺，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232 通訊口，采用無線擴(kuò)頻技術(shù)，使用220M 頻段，主要用于遠(yuǎn)程無線點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)間無線數(shù)據(jù)通訊,傳輸速度可以達(dá)15.2Kbps，使用2db 天線室內(nèi)通訊距離可以達(dá)到300 米。

機(jī)器人觀察系統(tǒng)采用SURF 系列無線圖像發(fā)射/接受系統(tǒng)，由兩個攝像頭及一套無線圖像發(fā)射/接受系統(tǒng)構(gòu)成，兩個攝像頭分別安裝在機(jī)器人本體的前端和本體上端。通過返回遠(yuǎn)程圖像實(shí)現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的遠(yuǎn)程監(jiān)控。機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3：

3.2 軟件構(gòu)成

山羊號的軟件系統(tǒng)分為五個部分：機(jī)器人底層動作級控制模塊；上位機(jī)的研究人員的操作環(huán)境以及人機(jī)交互界面；上位機(jī)和機(jī)器人的通訊機(jī)制以及指令數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制；機(jī)器人上的視覺采集傳輸模塊；上位機(jī)和下位機(jī)（機(jī)器人本體）的人工干預(yù)和切換控制機(jī)制模塊。機(jī)器人底層動作級別的控制由Delta Tau 的運(yùn)動控制卡完成，它可以同時對四個電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)行走、擺臂、轉(zhuǎn)彎、翻身、支起等基本動作和一系列動作組合。

人機(jī)交互模塊基于windows 編程，通過WOGO 的MODBUS 適配器返回機(jī)器人狀態(tài)，并且顯示機(jī)器人攝像頭采集到的圖像。操作人員可以在已有的機(jī)器人動作級別指令和任務(wù)程序的基礎(chǔ)上，添加新的任務(wù)程序或者修改現(xiàn)有指令程序。

因?yàn)樯窖蛱柕谋倔w操作系統(tǒng)是嵌入式實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)QNX，它可能會同時進(jìn)行或者完成多任務(wù)，因此協(xié)調(diào)的通訊就很重要。其中包括：

（1）上位機(jī)和下位機(jī)的無線通訊，包括狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋和控制指令的下達(dá)。

（2）主控制器PC104 和運(yùn)動控制卡間利用串口進(jìn)行的通訊，監(jiān)督任務(wù)的完成和動作的安全準(zhǔn)確。

（3）QNX 提供的多任務(wù)能力時各個任務(wù)間的通訊。

（4）I/O 口上的可以擴(kuò)展的各類傳感器與PC104 的通訊。

上位機(jī)和下位機(jī)（機(jī)器人本體）的人工干預(yù)和切換控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種。一是操作員直接接管機(jī)器人的控制，通過上位機(jī)操作桿控制機(jī)器人動作，并且由人完成任務(wù)規(guī)劃，此時機(jī)器人類似人工控制；二是操作員監(jiān)督機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行，并且由就人或者機(jī)器人主動發(fā)起中止任務(wù)和接替的指令，以保證任務(wù)的正常執(zhí)行和機(jī)器人的安全。這里面實(shí)現(xiàn)了監(jiān)督控制的思想。

監(jiān)督式移動機(jī)器人控制器主要完成的功能有：

（1）外界環(huán)境信息、傳感器、處理器和動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人局部自主能力的底層控制環(huán)；

（2）接收、相應(yīng)操作員指令，完成人工干預(yù)和替換機(jī)制，形成人機(jī)控制閉環(huán)。因此，山羊號監(jiān)控系統(tǒng)主要分成兩個子系統(tǒng)，它的層次模型如圖4，對應(yīng)監(jiān)督控制的定義，顯然它是一個監(jiān)控式機(jī)器人控制器。

山羊號機(jī)器人控制器的任務(wù)執(zhí)行和控制流程如下：

（1）操作者擬出任務(wù)規(guī)劃，并生成機(jī)器人可完成和可以接受的一個動作序列的機(jī)器人語言指令；

（2）將指令傳到機(jī)器人本體，由機(jī)器人控制器接收并完成；

（3）如果任務(wù)規(guī)劃已經(jīng)加入知識庫中，操作者調(diào)出對應(yīng)任務(wù)代號并監(jiān)視機(jī)器人完成；

（4）對于已經(jīng)加入知識庫的任務(wù)，機(jī)器人在傳感器信息的支持下自主完成，操作者僅作為監(jiān)視者；

（5）在任何狀態(tài)和控制方式下，操作者通過返回信息發(fā)現(xiàn)異常情況，均可以干預(yù)或者緊急中止任務(wù)，將前面任務(wù)指令作廢，完全轉(zhuǎn)入手動控制；

（6）給機(jī)器人本體加入自主中止模式，在任務(wù)執(zhí)行過程中，如果由于延時或者故障等原因造成信息無法及時反饋，機(jī)器人由傳感器信息判斷如果情況危及機(jī)器人安全或者任務(wù)序列無法繼續(xù)執(zhí)行，將中止任務(wù)等待人工進(jìn)行任務(wù)的恢復(fù)或者取消。

4． 實(shí)現(xiàn)情況

現(xiàn)在該機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)上下標(biāo)準(zhǔn)人行樓梯、跨溝（小于30cm）、翻倒自動復(fù)位、上下高臺（高度小于30cm）、在沙地行走等功能。人機(jī)具有了較好的協(xié)調(diào)性和控制性。如上圖2 可以看到其對應(yīng)的某些行為能力。

5． 結(jié)論

監(jiān)督式控制器在野外移動機(jī)器人的控制上有著良好的適應(yīng)性，操作者可以通過監(jiān)視器和狀態(tài)反饋觀察任務(wù)執(zhí)行，大大減輕了操作者的工作壓力和技能要求；機(jī)器人具有一定的自主能力，并且在監(jiān)控層次模型下，可以進(jìn)一步開發(fā)機(jī)器人的自主能力，很容易進(jìn)行系統(tǒng)的升級，也可以作為機(jī)器人自主控制的研究平臺；人、機(jī)分別可操作的緊急模式，在遠(yuǎn)距控制中，對于信號延誤、非結(jié)構(gòu)環(huán)境的不確定、機(jī)械和電子故障等情況引起的機(jī)器人安全性問題，有了一個比較穩(wěn)妥和可行的方案。在后續(xù)的研究中，將會進(jìn)一步裝配各類傳感器，提高機(jī)器人的自主能力，加入機(jī)器人在線學(xué)習(xí)更新知識庫的能力，改進(jìn)操作者界面使其更加人性化等，使得山羊號既能成為一個開發(fā)研究平臺，同時也能成為一個實(shí)際可靠可用的產(chǎn)品。