煤礦探測(cè)機(jī)器人多傳感器控制系統(tǒng)研究

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控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)分為 3類: 一是數(shù)據(jù)采集與處理，采集各種傳感器信息，包括導(dǎo)航信息、環(huán)境信息和機(jī)器人自身狀態(tài)信息;二是決策處理功能，將信息融合與處理系統(tǒng)的信息作為決策依據(jù)，協(xié)調(diào)決策系統(tǒng)各模塊間任務(wù)，決策救援機(jī)器人下一步行為; 三是機(jī)器人行為輸出與動(dòng)作功能，解算決策命令，控制救援機(jī)器人動(dòng)作與工作狀態(tài)。根據(jù)煤礦探測(cè)機(jī)器人的需求分析，要實(shí)現(xiàn)煤礦探測(cè)機(jī)器人的各種功能，就必須搭建出一個(gè)結(jié)構(gòu)化、可靠性高、功能性強(qiáng)、可移植性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的可搭載在煤礦探測(cè)機(jī)器人上的控制系統(tǒng)。本文搭建煤礦探測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為 3 個(gè)層次，即決策控制層、傳感信息層、執(zhí)行控制層。

決策控制層。該層采用高性能、低功耗的寬溫單板 EC5 － 1717CPLD 計(jì)算機(jī)作為核心。由于采用的是通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所以簡(jiǎn)化了該層的硬件設(shè)計(jì)。該層的主要功能是對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后把處理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行控制層的命令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行控制層。決策控制功能在Windows 2000 操作系統(tǒng)上完成。機(jī)器人在工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)融合與智能計(jì)算均在該系統(tǒng)上進(jìn)行，系統(tǒng)的功能主要由決策計(jì)算機(jī)上搭載的決策控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。煤礦探測(cè)機(jī)器人對(duì)外部的通信通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

傳感信息層。應(yīng)用于煤礦探測(cè)機(jī)器人的傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器 2 類。內(nèi)部傳感器用于監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，外部傳感器用于感知外部環(huán)境信息。該層通過(guò)各個(gè)傳感器模塊對(duì)機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)各自的調(diào)理電路和通信總線將采集到的數(shù)據(jù)上傳至決策控制層的決策計(jì)算機(jī)。

執(zhí)行控制層。執(zhí)行控制層主要由機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器組成，負(fù)責(zé)根據(jù)決策控制層的決策信息控制動(dòng)作執(zhí)行部件———直流伺服電機(jī)完成具體的動(dòng)作。各關(guān)節(jié)電機(jī)的控制器由CAN 總線連接，組成 CAN 網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)過(guò) CAN toUSB 的協(xié)議轉(zhuǎn)換器可與決策系統(tǒng)連接。運(yùn)動(dòng)控制命令通過(guò) CAN 轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為總線信號(hào)，總線信號(hào)經(jīng)過(guò) CAN 總線根據(jù)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 CAN － ID 發(fā)送到各電機(jī)控制器，各電機(jī)控制器根據(jù) CAN － ID識(shí)別各自收到的命令驅(qū)動(dòng)所連接的電機(jī)完成相應(yīng)的任務(wù)，并把電機(jī)運(yùn)行情況通過(guò) CAN 總線反饋給主控計(jì)算機(jī)，由此構(gòu)成了閉環(huán)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)(圖略) 。整個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)有良好的拓展性能，可以并聯(lián)最多 127 個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。通過(guò)這 3 個(gè)層次的協(xié)調(diào)工作，煤礦探測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了通過(guò)監(jiān)測(cè)內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境來(lái)控制自己行為的功能。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，將煤礦探測(cè)機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為 3 層，從下至上分別為硬件層、通信協(xié)議層和核心控制層 (圖略) 。硬件層和通信協(xié)議層硬件層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境都要通過(guò)硬件層進(jìn)行感知和監(jiān)測(cè)。硬件層主要包括各個(gè)傳感器及其調(diào)理電路和電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等。通信協(xié)議層是煤礦探測(cè)機(jī)器人軟件和硬件交互的橋梁，起到上傳下達(dá)的作用。軟硬件之間通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行信息的交互。本系統(tǒng)有 USB 通信協(xié)議、RS232 串口通信協(xié)議、CANOpen 通信協(xié)議。例如CANOpen 通信協(xié)議，決策控制計(jì)算機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò) CANOpen 通信協(xié)議進(jìn)行通信。在通信的時(shí)候，CANOpen 協(xié)議將 CAN 節(jié)點(diǎn)號(hào)作為設(shè)備物理地址對(duì)設(shè)備進(jìn)行身份識(shí)別，因此要給每一個(gè) CAN 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)備分配一個(gè)唯一節(jié)點(diǎn)號(hào)，范圍從 1 ～127，0 號(hào)節(jié)點(diǎn)為廣播地址。

核心控制層核心控制層是機(jī)器人控制的核心，是軟件系統(tǒng)最重要的組成部分，主要功能是將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向運(yùn)動(dòng)控制層發(fā)送命令。作為煤礦探測(cè)機(jī)器人軟件的核心部分，主要由感知 Agent、反射行為 Agent、定位導(dǎo)航 Agent、人機(jī)交互 Agent、決策 Agent 以及運(yùn)動(dòng)控制Agent 組成，其中只有感知 Agent 是與設(shè)備相關(guān)的，其余均是軟件 Agent。

感知 Agent。感知 Agent 的主要任務(wù)是感知機(jī)器人的外部環(huán)境信息和機(jī)器人狀態(tài)信息，并將這些信息傳遞給定位導(dǎo)航 Agent 和人機(jī)交互管理系統(tǒng)，以便這些 Agent 能夠根據(jù)獲得的信息進(jìn)行路徑規(guī)劃等操作。當(dāng)遇見(jiàn)突發(fā)或緊急狀況時(shí)，感知 A-gent 將信息發(fā)送至反射行為 Agent，直接對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。

反射行為 Agent。反射行為 Agent 主要負(fù)責(zé)一些突發(fā)和緊急事件的處理，它直接接收來(lái)自感知Agent 的信息。這些信息將促使反射行為 Agent 作出快速反應(yīng)，它將處理的結(jié)果傳遞給運(yùn)動(dòng)控制 A-gent。在反射行為 Agent 中采用的是反應(yīng)式行為，能夠快速地做出反應(yīng)，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

導(dǎo)航 Agent。導(dǎo)航 Agent 接收感知 Agent 的信息，它將煤礦探測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的位置、姿態(tài)發(fā)送給決策 Agent，決策 Agent 對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后生成電機(jī)控制命令，發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制 Agent，從而調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)和動(dòng)作。定位與導(dǎo)航 Agent還將感知 Agent 的信息發(fā)送至人機(jī)交互 Agent，工作人員通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)機(jī)器人的位置和姿態(tài)進(jìn)行人為的干預(yù)，并將這些干預(yù)信息直接發(fā)送至運(yùn)動(dòng)控制 Agent 中進(jìn)行機(jī)器人的控制。人機(jī)交互管理系統(tǒng)。通過(guò)人機(jī)交互管理系統(tǒng)，操作人員可遠(yuǎn)程監(jiān)視機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)，向機(jī)器人下達(dá)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。通過(guò)人機(jī)接口，可監(jiān)視機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，操作人員也可以向機(jī)器人發(fā)出指令人工遙控煤礦探測(cè)機(jī)器人的行為。

決策 Agent。決策 Agent 是機(jī)器人軟件智能體核心，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。它接收定位與導(dǎo)航Agent 和感知 Agent 的信息，將這些信息進(jìn)行綜合處理與融合，得出一致性結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是機(jī)器人在運(yùn)行安全、避開(kāi)障礙的前提下朝目標(biāo)前進(jìn)的結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)解析器。運(yùn)動(dòng)解析器在工作的過(guò)程當(dāng)中接收反射行為 Agent、決策 Agent 和人機(jī)交互管理系統(tǒng) 3 個(gè)不同 Agent 的信息 ( 這里也可以將人機(jī)交互系統(tǒng)看作是一個(gè) Agent) ，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作。但是，3 個(gè) Agent 在發(fā)送信息的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)沖突，在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中人為設(shè)置反射行為Agent 的指令優(yōu)先級(jí)最高，這樣就能夠在發(fā)生緊急情況時(shí)系統(tǒng)能夠馬上中斷其他 2 個(gè) Agent 指令，優(yōu)先運(yùn)行反射行為 Agent 指令，保證了機(jī)器人的安全性。在運(yùn)動(dòng)解析器驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作行為后，機(jī)器人所處的外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)也同時(shí)發(fā)生相應(yīng)的變化，機(jī)器人又要開(kāi)始新一輪感知與控制過(guò)程。子系統(tǒng)間通信方式由于煤礦探測(cè)機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，尤其在進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)傳感信息處理系統(tǒng)與視覺(jué)系統(tǒng)之間要快速交換大量信息，因此，本系統(tǒng)各子系統(tǒng)間設(shè)計(jì)采用基于內(nèi)存共享的通信方式。

主程序調(diào)用 Agent 子程序有些子系統(tǒng)的功能是比較常用的，為了便于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和相互調(diào)用方便，煤礦探測(cè)機(jī)器人主系統(tǒng)通過(guò) DLL ( 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)) 調(diào)用各子系統(tǒng)程序。煤礦探測(cè)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)被分為主程序和 DLL 程序，使得多個(gè)應(yīng)用程序可以共享同一段代碼，節(jié)省了機(jī)器人程序的資源空間，減少了程序的執(zhí)行代碼。

試驗(yàn)

在試驗(yàn)空間為6 m ×18 m 的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)器人自主行駛試驗(yàn)。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)以 Windows 2000 操縱系統(tǒng)作為平臺(tái)，軟件程序在 VC + + 環(huán)境下進(jìn)行編寫，可通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信。將實(shí)際行走路徑與仿真規(guī)劃路徑 ( 仿真環(huán)境為 Matlab7. 1) 進(jìn)行了對(duì)比 (圖略) ，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人實(shí)際行走路線與仿真規(guī)劃路線變化趨勢(shì)基本一致，機(jī)器人可以依靠傳感器信息與自主控制系統(tǒng)到達(dá)指定目標(biāo)區(qū)域，證明所研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)的架構(gòu)方式是穩(wěn)定可行的。

將煤礦探測(cè)機(jī)器人置入模擬煤礦巷道中模擬在救援現(xiàn)場(chǎng)中的行駛過(guò)程，將機(jī)器人放置在主巷道處，向開(kāi)采工作面行駛。在試驗(yàn)中，不給機(jī)器人除起始點(diǎn)外的任何環(huán)境信息，讓機(jī)器人自主行駛，用以驗(yàn)證機(jī)器人在狹窄環(huán)境中遇到障礙時(shí)的反應(yīng)及機(jī)器人控制系統(tǒng)的綜合可靠性。通過(guò)圖 6 可以看出機(jī)器人在面對(duì)障礙物時(shí)會(huì)很快做出反應(yīng)，并順利避過(guò)障礙物。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人行駛狀態(tài)良好，可以順利到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，證明了設(shè)計(jì)的煤礦探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)可以保證機(jī)器人適應(yīng)煤礦行駛環(huán)境。

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)煤礦探測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境與工作目標(biāo)，基于分布式、模塊化的思想研究并設(shè)計(jì)了煤礦探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證所建立的機(jī)器人控制系統(tǒng)可靠，性能達(dá)到了應(yīng)用要求。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，開(kāi)放性好，易于搭建。軟件采用面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ?，易于和其他軟件連接和升級(jí)。

本人作者：張軍輝 李曉鵬 單位：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院