全自主移动机器人分层递阶控制研究

技 术 创 新 中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与 SOC)2006年第 22卷第 3-2期 360元/年 邮局订阅号:82-946 《 现场总线技术应用 200例》 机器人技术 全自主移动机器人分层递阶控制研究 ResearchonHierarchicalControlofAutonomousMobileRobot (1.南京工业大学;2.墨尔本大学)沈志华 1,2 赵英凯 1 王晓荣 1 Shen,ZhihuaZhao,YingkaiWang,Xiaorong 摘要:本文提出了一种基于多 CPU的分层递阶控制策略,应用于全自主移动机器人的结构化设计。以分层递阶控制为核心 思想的自主机器人采用智能级、协调级和执行级级连的结构,其中智能级和协调级配备独立的微处理器。实验表明,所设计 的自主机器人系统具备良好的环境感知能力和控制精度,可以通过开放的 VC++平台实现对机器人的控制。 关键字:移动机器人;分层递阶控制;知识数据库;信息融合 中图分类号:TP242 文献标识码:A Abstract:Ahierarchicalcontrolbasedonmulti-processorisintroducedforthestructuraldesignoftheautonomousmobilerobot.The hierarchicalcontrolincludesthreelayerssuchasintelligencelayer,coordinationlayerandexecutionlayer.Independentprocessorsare equippedintheformertwolayers.Experimentalresultsdemonstratethattherobotsystem,whichcanbeoperatedbyprogrammingon theopenVC++interface,hasfairlyhighenvironmentdetectingabilityandcontrolaccuracy. Keywords:Autonomousmobilerobot;Hierarchicalcontrol;Knowledgedatabase;Informationfusion 文章编号:1008-0570(2006)03-2-0190-02 1前言 全自主移动机器人是机器人研究与应用的发展 方向,其所处环境大多为复杂的非结构化环境,需要机 器人具备稳定的机械性能,高效的机动性能、强大的 环境感知能力和快速的反应能力,因此,这类机器人 一般都配备多种外部传感器组成的复杂感觉系统以 全面地获取环境信息。同时,执行机构也朝着仿生的 方向发展。全自主机器人对环境的感知、理解、判断、 对动作的决策依赖于机器智能。为了使机器人具有良 好的灵活性和适应性,根据递阶智能控制按照精度随 智能降低而提高的原理(IPDI),本文提出了一种基于多 处理器的分层递阶控制策略,并将其应用于机器人控 制系统的结构化设计。 2机器人体系结构 一个完整的移动机器人由机器人本体、运动控制 模块、视觉采集与处理模块、语音识别模块、传感器模 块和网络通信模块组成,其系统结构如图1所示。 机器人动力系统装配电机、驱动器和电池,由运 动控制模块实现速度与方向控制,轮式机器人可由差 速实现转向。自主机器人对环境信息的感知主要通过 双目 CCD摄像机、5个声纳传感器、4个 PSD传感器 和一组数字罗盘来完成。通过获取机器人周边环境信 息和自身位姿信息对机器人进行有效控制,使其适应 复杂环境。 视频采集卡获取云台摄像机采集的图像信息,通 过视觉图像处理函数库完成对环境图像的处理与识 别。主机汇集各类传感器信息,通过信息融合算法,修 改本体位姿,不断和由环境信息数据库、规划知识数 据库、历史信息表等组成的世界模型和任务指令序列 作比较,得出最优控制策略来控制机器人运动。另外, 网络通信模块可与远程主控机进行数据交换,实现网 络控制,也可以通过无线网卡实现多智能体之间的协 同运动控制。 3基于多处理器的分层递阶控制 根据 IPDI思想,采用分层递阶控制策略,将控制 系统按照组织级、协调级和执行级三级级连的形式对 机器人进行运动控制。递阶智能机器人的级连结构如 图 2所示,结构化的设计减少了各系统间的相互干沈志华:硕士研究生 主机 网络(RJ45) 串口 并口 PCI总线 8路USB2.0 运动 模块 听觉 模块 传感 模块 声纳 PSD USB 接口 CCD 无线 网卡 6路 备用 视频 采集卡 带云台 摄像机 视觉 图像 处理 库函 数 上目带云台 摄像机扩展 下目固定 摄像机扩展 图1机器人系统结构图 190- - 邮局订阅号:82-946360元/年 技 术 创 新 机器人技术 《 PLC技术应用 200例》 您的论文得到两院院士关注 中国自控网 扰,有效提高了整个系统运行的稳定性。 其中,fEC为执行级至协调级的在线反馈信号;fC0 为协调级至组织级的离线反馈信号。递阶智能控制系 统把定性的用户指令变换为一个物理操作序列,系统 的输出是通过一组施于驱动器的具体指令实现。其 中,组织级是机器人的决策系统,并由人工智能起控 制作用,涉及知识的表示与处理,对机器人进行运动 规划。协调级是组织级和执行级的接口,涉及决策方 式的表示,由人工智能和运筹学起主导作用,是综合 考虑机器人自身位姿和运动方式控制之间关系的协 调技术层,是保证决策指令得以快速、准确执行的关 键。执行级是递阶控制的底层,具备高精度和低智能 的特点,由常规控制理论进行控制,根据协调级输出 的期望值形成相应的控制量,驱动电机工作。机器人 机械性能与机电硬件系统的可靠性和稳定性是执行 级的关键。 4 基于分层递阶控制的全自主机器 人设计 基于分层递阶控制思想的智能机器人体系结构 如图3所示,该系统采用标准的数据总线与外部数据 进行通讯。系统结构包含智能级、协调级和执行级。环 境信息、地图知识、规划知识和综合信息数据库等构 建起机器人世界模型。智能级根据任务,建立任务模 型,完成任务规划。双目视觉系统和声纳、PSD等传感 器所提供的环境信息构成环境模型,人工智能模块结 合历史信息表、局部状态表等本体位姿信息对机器人 进行全局路径规划和重规划。协调级接受全局路径规 划信息,通过协调机制和信息融合算法给出决策系统 动作指令的最佳控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,并由执行级完成环境信 息、本体状态和位姿信息的测量与控制。 其中,智能级和控制级分别配备独立工控机。双 目视觉的硬件扩展通过 PCI接口和预留 USB接口实 现,云台CCD摄像机通过视频采集卡与标准PCI总线 相连,视觉信息的处理由图像处理库函数实现。云台 1/4typeSuperHADCCD摄像机有2个自由度,水平视 角6.6to650Degree,完成远距离大范围运动物体的跟 踪识别,而固定CCD摄像机可采集机器人周遍信息, 结合位姿信息,完成机器人定位。 5结束语 基于分层递阶控制思想设计的全自主机器人具 备良好的可扩展性,模块化的设计有效减小了各系统 之间的耦合和相互干扰,改善了机器人运动控制的稳 定性。该系统的人机交互接口采用开放性的 VC++开 发平台,结合语音、视频采集设备和机械动力系统,可 作语音识别、双目跟踪、立体视觉以及运动控制的研 究。结构化的分层递阶控制策略封装了机器人设计过 程中各元件的电器特性,而只保留了模块的外部通信 接口,因此,该设计方案具备一定的通用性。 参考文献 [1]DeSouza,GuilhermeN.Kak,AvinashC.Visionformobilerobot navigation:asurvey[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisand MachineIntelligence,2002,24(2) [2]KandaT,IshiguroH,etal.Developmentandevaluationofan interactivehumanoidrobot"Robovie"[A].Proceedingsofthe2002 IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation[C]. Piscataway:TheIEEEPress,2002.1848-1855 [3]HallSR.HierarchicControlArchitectureforIntelligentStruc- tures[J].JournalofGuidance,ControlandDynamics,1991,14(3): 503-512 [4]王超,王志良.基于个性和OCC的机器人情感建模研究[J],微 计算机信息,2005，3:181-183 [5]宋轶群,杜华生,王德新,程刚.一种自主机器人的控制系统 研究[J].机械与电子,2004,140(8):48-50 [6]蔡自兴.机器人学[M],清华大学出版社.2000 [7]AS-RRobotManual.2004 作者简介:沈志华(1980-),男,江苏苏州,民族汉,南京 工业大学自动化学院控制理论与控制工程专业硕士 研究生,澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程学院无 线通讯专业硕士研究生,主要从事:机器视觉和自主 机器人导航研究,3G网络与网络优化技术研究。赵英 凯(1943-),男,江苏南京,民族汉,博导,教授,主要从 事:机器人技术、智能控制与先进控制研究。王晓荣 (1974-),男,江苏南京,博士,主要从事:机器视觉与 机器人智能控制研究。(见142页) 分类器 组织级 协调级 执行级 高层输入指令 双CPU结构 噪 声 R C U S 0 E f C E 图2递阶智能机器人级连结构 f O C 机器任务规划 人工智能 全局路径规划 环境信息数据库 IPCP4/2.8C 256M/80G 地图知识数据库 综合信息数据库 规划知识数据库 历史信息表 内部参数表 局部状态表 视觉信息模块 信息融合 局部路径规划 信息管理模块 IPCP4/2.63C 256M/80G 运动轨迹规划 协调机制模块 故障诊断 本体位姿模块 决策执行模块 系统报警 语音采集 运动控制 超声测距 双目视觉 语音识别 数字罗盘 PSD测距 立体视觉 其它信号 差分GPS 红外检测 全景视觉 人机交互接口 网络通信 存储设备世界模型 PCI标准总线 PCI 标 准 总 线 智 能 级 协 调 级 执 行 级 图3分层递阶控制的自主机器人结构化设计图 191- - 技 术 创 新 中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与 SOC)2006年第 22卷第 3-2期 360元/年 邮局订阅号:82-946 《 PLC技术应用 200例》 ARM开发与应用 个预分频器,它对输入的系统时钟进行分频,以获得 合适的 ADC时钟。一次常规的 AD转换需要 7个 ADC时钟周期。ADC为用户提供了内部中断方式的处 理,可以满足实时性的要求。每次ADC转换完成时, ADC转换完成中断就可以被激活。S3C44B0X通过设 置数据控制寄存器(rPCONC)和数据读取寄存器(rP- DATC),见下述设置程序段。 #definerPCONC (* (volatile unsigned *)0x1d 20010)/*PortC*/ rPCONC=0xf0000000;/*定义PC13-0为input*/ #definerPDATC (* (volatile unsigned *)0x1d 20014) rPDATC=0x0000;/*初始化 I/O(C口)口电平全 为低电平0,保证PC12=0,AD采样使能*/ 使得当I/O端电平发生变化时,I/O自动读取数据 到指定地址,而且同时也使 AD使能端(PC12)为低电 平,AD开始采样数据。一次常规的AD转换需要7个 ADC时钟周期0.35us,转换模式时序图如图 1所示。 转换结束,CPU开始读取数据,CPU的I/O读取一位指 令的时间为 10ns,它读取一个完整的数据需要 0.2us, 读取完毕,CPU给 AD指令执行再次转换,中间有约 0.1us延时,所以AD采样转换速率可以理论推算为 1/ 0.65us≈1.53Mbps。 AD实验中,我们采集1000个AD数据,经 MAT- LAB仿真后,显示约为四个波形周期,那么每个周期 所采集的点为1000/4=250个,那么每采集一个点所用 的时间为 1/6K除以 250约为 0.00000067s,所以 AD 转换速率也可实验推算为1/0.00000067≈1.5Mbps。 5该电路设计的特点 AD采样的速率高达 1.5Mbps左右,采样数据通 过串口传输到上位PC机显示;而且在电路设计中,构 建了S3C44B0X最小系统电路,由于S3C44B0X提供 全面的、通用的片上外设,使得此电路具有很强的扩 展性,减少了很多外围器件配置,扩展电路变得简单 易行,由于其外部存储器容量很大,我们移植了uClin- ux嵌入式操作系统,为用户提供了自己的系统操作平 台。此外S3C44B0X的处理速度也是8位单片机所远 远不及的,S3C44B0X的工作频率为66MHz。 6结语 本文详细介绍了基于三星 ARM7芯片S3C44B0X 的一款高速 AD转换器的电路设计与实验结果分析, 该AD采样转换电路带有自己的用户系统平台(uClin- ux操作系统),外部存储器容量高达 12Mbyte,可以存 放大容量的用户程序,人机交互接口丰富,调试简单, AD采样转换速度可以达到 1.5Mbps左右,在一些需 要高速AD采样转换以及需要人机交互的场合中有相 当的实用价值。 参考文献 [1]JohnCatsoulis著DesigningEmbeddedHardware徐君明,许铁 军等译.中国电力出版社,2004.6 [2]SAMSUNGPRODUCTOVERVIEW关于 S3C44B0X技术手册 [3]刘诚,岳春生.PC机与嵌入式系统的多线程串行通信实现[J], 微计算机信息,2005,4:144-146 作者简介:郑贵林(1963.6-)男,博士,武汉大学自动化 系教授,主要从事检测技术与自动化装置、现场总线、 工业自动化等方面的研发和教学。王艳松(1980.4-) 男,河南商丘人,武汉大学硕士研究生,主要从事嵌入 式系统的设计与研究。email:wangys008@163.com (430072武汉 武汉大学自动化系)郑贵林 王艳松 (DepartmentofAutomation, WuhanUniversity, Wuhan430072)Zheng,GuilinWang,Yansong 通讯地址: (430072武汉市武汉大学动力与机械学院自动化系 研究生2003级3班)王艳松 (投稿日期:2005.8.6)(修稿日期:2005.8.16) (见第191页) Authorbriefintroduction:Shen,Zhihua,(1980-), Suzhou,Jiangsu,Masterofcontroltheoryandcontrolen- gineeringinCollegeofAutomation,NanjingUniversity ofTechnology,MasterofTelecommunicationsEngineer- inginDepartofElectricalandElectronicEngineering, theUniversityofMelbourne.Researchon:computervi- sion,navigationofautonomousmobilerobot,3Gnetwork andoptimizationofnetworkdesign.Zhao,Yingkai,(1943), Nanjing,Jiangsu,Professor.Researchon:robottechnolo- gy,intelligentcontrolandadvancedcontrol.Wang,Xi- aorong,(1974-),Nanjing,Jiangsu,Doctorofcontroltheo- ryandcontrolengineering.Researchon:robotvision androbotintelligentcontrol. (210009南京工业大学自动化学院)沈志华 赵英凯 王晓荣 (澳大利亚墨尔本 墨尔本大学电气与电子工程学院) 沈志华 (NanjingUniversityofTechnology,Nanjing,210009, China)Shen,ZhihuaZhao,YingkaiWang,Xiaorong (TheUniversityofMelbourne,Victoria3010,Aus- tralia)Shen,Zhihua 通信地址: (210009南京新模范马路 5号,南京工业大学 202信 箱)沈志华 (202,No5,NanjingXinMoFanMaLu,NanjingU- niversityofTechnology,Jiangsu,Nanjing,210009) Shen,Zhihua (投稿日期:2005.8.26)(修稿日期:2005.9.6) 142- -