機器人的移動監(jiān)督式控制器設計

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器人。陸地微小型探查機器人是軍用機器人的一種。它具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，研究周期短，易實現(xiàn)“群”攻擊等特點。在真實戰(zhàn)爭中不易被發(fā)覺，容易靠近目標，可以獲得大量真實可靠和及時的數(shù)據(jù)。所以在現(xiàn)階段直接的戰(zhàn)斗型機器人還沒有突破性進展的時候，探查機器人成為軍用機器人研究的熱點。

本文以中國科學院沈陽自動化研究所正在研制的小型地面探查機器人“山羊號”為試驗基礎，實現(xiàn)了機器人的監(jiān)督式控制器的設計，并在這個機器人平臺上驗證了監(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

移動控制器的設計是微小型探查機器人的一個研究重點。發(fā)展現(xiàn)代機器人控制系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗表明，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器人的技術(shù)條件還遠未成熟；對于野外機器人來說，由于通訊可靠性和時延性無法保證，環(huán)境多樣性復雜性導致信息獲取有限，純手動遙操作導致控制可靠性下降，復雜性增加。所以，研究和設計面向特定任務特有環(huán)境下的監(jiān)控式移動機器人是一種較為現(xiàn)實和可行的做法。

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)不斷地從計算機接收信息，計算機利用傳感器和驅(qū)動器控制進程或任務環(huán)境，負責閉環(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)，機器人處于自主狀態(tài)，二者同時執(zhí)行任務。Sheridan曾列舉了計算機和人的4種相互關(guān)系：延伸（extend）、分擔（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

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

3.1 硬件構(gòu)成

該機器人使用履帶—腿復合移動機構(gòu)，復合型移動機構(gòu)主要是為移動機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中應用而研究的，目的是提高其非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的通過能力。項目稱之為“山羊號”機器人，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大的總線形式和專用控制設備，PC104 采用了標準的積木式硬件結(jié)構(gòu)，容易擴展功能和端口；具有強大的運算能力，使機器人具有處理速度快能力強的特點；具有良好的耐熱、耐寒、防潮、抗震性能，適應惡劣的野外條件。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，上位機下位機之間的通訊遵循了MODBUS 協(xié)議通過無線數(shù)傳電臺實現(xiàn)。WOGO 工業(yè)MODBUS 適配器模塊化的軟件設計，穩(wěn)定可靠，非常適合于機器人控制臺數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示等應用。

機器人運動控制系統(tǒng)是機器人控制各軸電機實現(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 型運動控制卡，可以同時控制四個電機，實現(xiàn)四軸聯(lián)動?？梢詫崿F(xiàn)：執(zhí)行運動程序、進行伺服環(huán)更新、電機的換相更新、軟硬件安全資源管理、與主機通信、任務優(yōu)先級組織等等功能。是一塊極其強大的運動控制卡。無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)采用美國MDS 無線數(shù)傳電臺，具有標準RS232 通訊口，采用無線擴頻技術(shù)，使用220M 頻段，主要用于遠程無線點對點或多點間無線數(shù)據(jù)通訊,傳輸速度可以達15.2Kbps，使用2db 天線室內(nèi)通訊距離可以達到300 米。

機器人觀察系統(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器人本體的前端和本體上端。通過返回遠程圖像實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的遠程監(jiān)控。機器人內(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：機器人底層動作級控制模塊；上位機的研究人員的操作環(huán)境以及人機交互界面；上位機和機器人的通訊機制以及指令數(shù)據(jù)收發(fā)機制；機器人上的視覺采集傳輸模塊；上位機和下位機（機器人本體）的人工干預和切換控制機制模塊。機器人底層動作級別的控制由Delta Tau 的運動控制卡完成，它可以同時對四個電機進行控制，實現(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。

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

因為山羊號的本體操作系統(tǒng)是嵌入式實時多任務系統(tǒng)QNX，它可能會同時進行或者完成多任務，因此協(xié)調(diào)的通訊就很重要。其中包括：

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

（2）主控制器PC104 和運動控制卡間利用串口進行的通訊，監(jiān)督任務的完成和動作的安全準確。

（3）QNX 提供的多任務能力時各個任務間的通訊。

（4）I/O 口上的可以擴展的各類傳感器與PC104 的通訊。

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

監(jiān)督式移動機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)行機構(gòu)形成閉環(huán)，實現(xiàn)機器人局部自主能力的底層控制環(huán)；

（2）接收、相應操作員指令，完成人工干預和替換機制，形成人機控制閉環(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，對應監(jiān)督控制的定義，顯然它是一個監(jiān)控式機器人控制器。

山羊號機器人控制器的任務執(zhí)行和控制流程如下：

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

（2）將指令傳到機器人本體，由機器人控制器接收并完成；

（3）如果任務規(guī)劃已經(jīng)加入知識庫中，操作者調(diào)出對應任務代號并監(jiān)視機器人完成；

（4）對于已經(jīng)加入知識庫的任務，機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，均可以干預或者緊急中止任務，將前面任務指令作廢，完全轉(zhuǎn)入手動控制；

（6）給機器人本體加入自主中止模式，在任務執(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，機器人由傳感器信息判斷如果情況危及機器人安全或者任務序列無法繼續(xù)執(zhí)行，將中止任務等待人工進行任務的恢復或者取消。

4． 實現(xiàn)情況

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

5． 結(jié)論

監(jiān)督式控制器在野外移動機器人的控制上有著良好的適應性，操作者可以通過監(jiān)視器和狀態(tài)反饋觀察任務執(zhí)行，大大減輕了操作者的工作壓力和技能要求；機器人具有一定的自主能力，并且在監(jiān)控層次模型下，可以進一步開發(fā)機器人的自主能力，很容易進行系統(tǒng)的升級，也可以作為機器人自主控制的研究平臺；人、機分別可操作的緊急模式，在遠距控制中，對于信號延誤、非結(jié)構(gòu)環(huán)境的不確定、機械和電子故障等情況引起的機器人安全性問題，有了一個比較穩(wěn)妥和可行的方案。在后續(xù)的研究中，將會進一步裝配各類傳感器，提高機器人的自主能力，加入機器人在線學習更新知識庫的能力，改進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際可靠可用的產(chǎn)品。