通用智能机器人分布式控制系统的设计与实现

自动化技木 通用智能机器人分布式控制系统的设计与实现 邱寄帆1，一，王海春1一，唐斌2，王灼3 (1．四川大学计算机学院，四川成都610064； 2．电子科技大学电子工程学院，四川成都610054； 3．成都航空职业技术学院计算机系，四川成都610021) 摘要：提出了一种基于CAN总线的智能机器人分布式控制系统体系结构，阐述了系统的电路 组成和功能实现原理，具体分析了系统的容错控制与鲁棒性。该系统可采用多种传感器实施组合导 航，并可通过语音系统和无线网络通信实现人机交互。实践表明，该控制系统具有较高的实用价值和 较好的开放性、实时性和可靠性。 关键词：智能机器人分布式控制系统双目视觉语音识别 现代智能机器人大多结构复杂，控制对象及功能较 多，集中控制和主从控制方式已不能满足机器人对控制 系统实时性、开放性、鲁棒性等方面的要求。比较理想的 控制系统解决方案是采用分布式控制系统DCS(Distrjbuted ContmlSystem)，将控制功能在下位机分散，每个下位机 完成一项特定功能，各下位机便可实现并行工作，这将 大大提高整个系统的处理能力和处理速度。DCS的核心 思想是集中管理、分散控制⋯，即管理与控制分离，上位 机用于集中监控和系统管理，下位机分散到现场实现分 布式控制，各上下位机之间通过控制网络互连实现信息 传输。显然，采用DCS方案有如下明显优点：实现集中 监控和管理，管理与现场分离，管理更综合化和系统化； 实现分散控制，可使各功能模块的设计、装配、调试、维 护独立，系统控制的危险性分散，可靠性提高，投资减 小；采用网络通信技术，可根据需要增加以微处理器为 核心的功能模块，具有良好的系统开放性、扩展性和升 级特性。 CAN(ControllerAreaNetwork)总线121作为连接各上 下位机之间的通信网络，非常适用于分布式控制系统， 因为它具有以下突出特性：CAN控制器工作于多主方 式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权向总线发 送数据，通信方式灵活；CAN节点在错误严重的情况下 具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不 受影响，因而具有突出的可靠性；CAN总线的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大 降低了系统开发难度，缩短了开发周期；CAN总线结构 简单，只有两根信号线，挂接在总线上的设备可方便地 增减，因而具有优良的可扩展性；此外，CAN总线还有 传输速率高、实时性强、开放性好、成本低等特点。 基金项目：四川省重点科技项目(04GG006一032)。 《电子技术应用》2006年第8期 1系统功能设计 本文讨论的机器人属自主式移动机器人，具有多种 环境感知功能和控制功能，可广泛应用于教学机器人、 娱乐机器人、服务机器人等领域，通过对控制系统的定 制和扩展，很容易实现某些特种机器人的功能。为此，要 求该机器人的控制系统必须具有较好的实时性、协调 性、可靠性、可扩展性、开放性和鲁棒性等特性。该分布 式控制系统具有以下功能特性： ·轮式移动平台，动作敏捷迅速，可靠性高，控制特 性好。 ·语音交互功能。具有语音识别与合成功能，可进行 人机语音交互，包括执行用语音下达的命令、人机语音 对话聊天、媒体(视频、音频)语音点播、语音信息查询、 文本语音播放等。 ·无线网络远程监控功能。可通过远程计算机终端 和无线网络对机器人下达命令，实施控制；也可将机器 人的状态信息(如当前任务、位置、速度等)，甚至是采集 到的实时视频图像显示在远程监控计算机终端上。 ·多传感器组合导航功能。具有双目视觉及图像处理 功能，可实现视觉导航及目标的定位、跟踪和识别；可综 合利用视觉、激光、红外、光敏等多种传感器信息，实现距 离检测、障碍物检测、悬崖检测、光源检测等环境感知功 能，从而实现轨迹跟踪、避障、避碰、避悬崖等导航功能。 ·突出的鲁棒性。具有故障诊断与处理、关键部件双 冗余设计、多传感器信息融合导航与检测等功能，可实 现系统功能模块故障的诊断、排除或替换；可检测和分 配电量，增强生命力。 2系统体系结构 基于CAN总线的分布式控制系统的上位机由主控 计算机及语音和图像处理单元构成，下位机则是由以0 本刊邮箱：eta@ncse．com．cn7～l 万方数据 自动化技术 囚—咂至墅亘p、 囚屯巫卜匝堕p、隔 无线网络接入 竺竺兰竖卜_ l眄：丽藏 图像 采集卡 CAN总线 节点l 移动平台伺服控制器 PWM放大器 芦点2 l节点3 I节点4 I节点5l I节点6 I节百了 激光测距l I超声ll红外ll测光ll触觉l 云台 控制器l l控制器ll控制器ll控制器lI控制器I l控制器 放大器 云台 到恻倒倒倒匿 图1系统硬件结构图 决策层 节点0 故障诊断与l 控制层 竺竺苎型兰I I ⋯⋯⋯． 电池组 执行层 至7号节点控制器为核心的功能模块所组成。控制系统i⋯ii丽；糠蕻⋯一j i⋯话；酾簇英⋯一j 硬件结构如图l所示。 系统在纵向结构上可分为四层。决策层：主要实现 以下功能：(1)通过无线网络和语音处理系统(语音识别 与合成)两种方式实现人机交互；(2)实现双目视觉图像 采集与处理；(3)对整个系统实施管理监控，并对控制层 及功能层的事件做出响应。控制层：检测各节点的工作 情况，登记各节点的状态，对发生故障的节点进行处理， 对系统电源进行合理的分配和调度。功能层：由一个个 基于MCu的节点控制器及相关电路组成的功能模块所 构成，实现机器人的基本行为和感知控制。执行层：由环 境感知传感器和执行器组成，完成数据采集和行为动作 执行。 主控计算机是分布式控制系统的上位机，由一台高 性能PC机承担，主要用于人机交互、系统管理、控制决 策、任务调度、运动规划、图像识别与视觉导航等。环境 感知部分由双目视觉摄像机、激光传感器、超声传感器、 红外传感器、光敏传感器、触觉传感器等传感器组成，其 中，双目视觉传感器可实现视觉导航、目标定位与跟踪、 人脸识别等功能。轮式移动平台采用三组正交轮驱动， 具有三个自由度，可实现仿人灵活移动，由移动平台伺 服控制器、PWM放大器、驱动电机和增量式光电码盘构 成速度闭环控制。无线网络采用802．11b通讯协议，可 实现主控计算机与远程监控计算机的互连，一方面通过 远程计算机终端对机器人下达命令，实施控制；另一方 面，也可将机器人的状态信息(如当前任务、位置、速度 等)及实时视频图像显示在远程监控计算机终端上。控 制系统功能图如图2所示。 3系统容错控制与鲁棒性分析 作为一款自主式智能机器人，其控制系统必须具有 较好的鲁棒性和容错性。本文从控制系统的硬件体系结 构、人机交互方式、多传感器信息融合、系统通信架构及 软件设计等方面，提出了一套综合解决方案，较好地满 数据输入 传 感 器 信 息 融 合 人机交互 系统管理 控制决策 任务调度 运动规划 环境感知 地图创建 导航控制 速度伺服 故障监控 ‘I’佟应用程序卜．叫扬声器 雌遗：I：I sDK5．1 移动平台 软件系统 !数据输出 图2控制系统功能图 足了系统的鲁棒性需求。 3．1故障诊断与处理控制器 在典型分布式控制系统的基础上，增设了一个故障 诊断与处理控制器模块(图’1中的节点0)，负责系统功 能层节点故障的诊断处理和电源电量的检测与分配。该 控制器结构如图3所示。 由于系统中较繁重的任务集中在控制层和功能层， 因此提高其容错性，将大大提高整个系统的可靠性p1。 节点控制器发生的故障类型可分为临时性故障和永久 性故障两种。临时性故障指由于软件中存在BUG，导致 控制器“死机”或由于某种信号干扰，致使程序“跳飞” 等故障。永久性故障指由于元器件发生烧毁、功能失效 或电路发生短路、断路等原因所产生的故障。一般而言， 临时性故障可通过系统复位重新启动进行修复，而一旦 发生永久性故障，则应替换备用单元或将其关闭。 故障诊断与处理模块采用对功能层控制器进行定 期巡检的方式监控其工作。该控制器以固定时间间隔(1秒～ 72 欢迎网上投稿www．aetnet．cnwww．aetnet．com．cn《电子技术应用》2006年第8期 算 一。器 拼 百蕊 一 屠■习 竺 甜一一 一一一一一姚一一一一一一一一一一一～一一 万方数据 自动”化技。带 可获得更加全面、准确、可靠地反映环境特征的信息，为 导航提供快速而准确的决策依据。本系统的多传感器信 ⋯”⋯息融合如图4所示。 去节点2 去节点“ 图3故障诊断与处理控制器结构 10秒之间)向功能层广播连接请求，若各节点控制器工作 正常，则回应请求，并将它们的最新状态信息发送给控制 层，控制层便刷新节点状态信息存储器中这些控制器的 状态信息记录。若在规定时间内没有收到某节点控制器 的回应，则认为该控制器发生故障。此时，控制层对其实 施复位操作，若复位后该机恢复正常工作， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 发生的是 临时性故障，控制层只需将节点状态信息存储器中相应 状态信息记录发送给该节点控制器，它便能恢复到故障 前的工作状态。若复位后也不能恢复正常工作，则说明发 生了永久性故障，此时应启动备用单元，或关闭故障单 元，切断其电源，并将其编号对外广播注销。 3．2双冗余设计 容错技术的核心是冗余技术，对关键部件采用备份 冗余，可提高系统的安全性、可靠性和鲁棒性。当设有备 份控制器的关键单元发生永久性故障时，故障诊断与处 理控制器便执行以下操作：(1)控制备用单元和故障单元 进行热切换；(2)控制现场传感器和执行器的切换；(3)将 故障单元最后的状态信息记录写入到备用单元。 3．3多传感器信息融合 导航技术是移动智能机器人的核心技术之一。由图 1和图2可见，为提高导航系统的鲁棒性，本设计采用 了集双目视觉导航、坐标导航、超声波导航、激光导航、 地图匹配导航等多种导航方式于一体的组合导航(41方 法，以满足机器人对越来越高的导航性能及复杂环境条 件下导航技术的要求。因为单个传感器在环境描述方面 存在以下问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：(1)只能获得环境特征的部分信息，无法 对操作环境做出全面准确的描述；(2)缺乏鲁棒性，偶然 故障将导致系统无法正常工作；(3)数据的可信度不高。 多传感器信息融合是指传感器系统对来自多种传感器 的信息进行综合统一，以产生更可靠、更准确的信息。该 项技术的出现是为了解决单个传感器系统所面临的问 题。和单个传感器系统相比，多传感器融合系统具有以 下优点：(1)可得到更全面、更准确的信息；(2)可提高系统 的可靠性和鲁棒性；(3)可得到描述同一环境特征的多个 冗余信息，可描述不同的环境特征；(4)可实现并行数据采 集和处理，提高导航系统综合性能；(5)可增强数据可信度。 对多种传感器所提供的冗余或互补信息进行融合， 《电子技术应用》2006年第8期 激光传感器 超声传感器 双目视觉传感器 红外传感器 触觉传感器 光敏传感器 图4多传感器信息融合 机器人导航 除上述设计外，系统的鲁棒性还体现在以下几个方 面：(1)采用了CAN总线。由于CAN总线除具有在CAN 节点严重错误的情况下能自动关闭输出，使总线上其他 节点的操作不受影响的特点外，还采用非破坏性总线仲 裁 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 ，即使在网络负载很重的情况下也不会出现瘫痪 现象，并采用短帧结构，有CRC及其他校验措施，数据 出错率极低，因而具有突出的可靠性；(2)人机交互采用 了语音交互和利用远程监控计算机及无线网络进行远 程监控两套方案，确保了人对机器人操控指令的可靠下 达；(3)软件的可靠性设计等其他措施。 本文提出了一种基于CAN总线的智能机器人分布 式控制系统体系结构，阐述了系统的电路组成和功能实 现 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，深入分析了系统的容错控制和鲁棒性。根据这 套方案设计并实现了娱乐机器人，实践证明，该方案设 计科学合理、切实可行，系统具有较好的实时性、开放性 和鲁棒性。 参考文献 1王常力，罗安．分布式控制系统(DCS)设计与应用实例 [M]．北京：电子工业出版社，2004 2吕当侠．CAN总线的特点及应用【J】．航空与航天，2005； (3)：16～20 3朱兰，朱玉文．多CPU探测机器人分布式体系结构研究 [J】．装甲兵工程学院学报，2005；19(3)：61—64 4沈猛，徐德民，李俊等．轮式移动机器人组合导航方法及 试验研究[J】．计算机仿真，2005；22(7)：85—87 5Microsoft．MicrosoftspeechSDK5．1documentation．http：／／ download．microsoft．com／download／SpeechSDK／SDK／5．1，WXP／ EN—US／sapi．chm． 6VerissimoP．Distributedcomputer—controUedsystems：The DEAR—C0‘ISapproach[J]．IFAC，2000 7韩大鹏，韦庆．机器人控制器的一种模块化设计方法[J】． 微计算机信息，2005；21(5)：3～4 (收稿日期：2006一04—09) 本刊邮箱：eta@ncse．com．cn73 一一一 一一一一 一一一一一一一 万方数据