煤礦探測機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

煤礦探測機器人控制系統(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)，決策救援機器人下一步行為; 三是機器人行為輸出與動作功能，解算決策命令，控制救援機器人動作與工作狀態(tài)。根據(jù)煤礦探測機器人的需求分析，要實現(xiàn)煤礦探測機器人的各種功能，就必須搭建出一個結(jié)構(gòu)化、可靠性高、功能性強、可移植性強、可擴展性強的可搭載在煤礦探測機器人上的控制系統(tǒng)。本文搭建煤礦探測機器人的控制系統(tǒng)分為 3 個層次，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 計算機作為核心。由于采用的是通用計算機系統(tǒng)，所以簡化了該層的硬件設(shè)計。該層的主要功能是對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，然后把處理的結(jié)果轉(zhuǎn)化為運動執(zhí)行控制層的命令發(fā)送給運動執(zhí)行控制層。決策控制功能在Windows 2000 操作系統(tǒng)上完成。機器人在工作過程中的數(shù)據(jù)融合與智能計算均在該系統(tǒng)上進行，系統(tǒng)的功能主要由決策計算機上搭載的決策控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。煤礦探測機器人對外部的通信通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成一個局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

傳感信息層。應(yīng)用于煤礦探測機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)測機器人系統(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。該層通過各個傳感器模塊對機器人內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境信息進行監(jiān)測，通過各自的調(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算機。

執(zhí)行控制層。執(zhí)行控制層主要由機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機及其驅(qū)動控制器組成，負責根據(jù)決策控制層的決策信息控制動作執(zhí)行部件———直流伺服電機完成具體的動作。各關(guān)節(jié)電機的控制器由CAN 總線連接，組成 CAN 網(wǎng)絡(luò)，在經(jīng)過 CAN toUSB 的協(xié)議轉(zhuǎn)換器可與決策系統(tǒng)連接。運動控制命令通過 CAN 轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為總線信號，總線信號經(jīng)過 CAN 總線根據(jù)各個驅(qū)動電機的 CAN － ID 發(fā)送到各電機控制器，各電機控制器根據(jù) CAN － ID識別各自收到的命令驅(qū)動所連接的電機完成相應(yīng)的任務(wù)，并把電機運行情況通過 CAN 總線反饋給主控計算機，由此構(gòu)成了閉環(huán)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)(圖略) 。整個運動執(zhí)行系統(tǒng)有良好的拓展性能，可以并聯(lián)最多 127 個驅(qū)動設(shè)備。通過這 3 個層次的協(xié)調(diào)工作，煤礦探測機器人實現(xiàn)了通過監(jiān)測內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境來控制自己行為的功能。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)煤礦探測機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計，將煤礦探測機器人軟件系統(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)議層硬件層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機器人的內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境都要通過硬件層進行感知和監(jiān)測。硬件層主要包括各個傳感器及其調(diào)理電路和電機及其驅(qū)動器等。通信協(xié)議層是煤礦探測機器人軟件和硬件交互的橋梁，起到上傳下達的作用。軟硬件之間通過通信協(xié)議進行信息的交互。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，決策控制計算機和電機驅(qū)動器通過 CANOpen 通信協(xié)議進行通信。在通信的時候，CANOpen 協(xié)議將 CAN 節(jié)點號作為設(shè)備物理地址對設(shè)備進行身份識別，因此要給每一個 CAN 驅(qū)動控制器設(shè)備分配一個唯一節(jié)點號，范圍從 1 ～127，0 號節(jié)點為廣播地址。

核心控制層核心控制層是機器人控制的核心，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)進行處理并向運動控制層發(fā)送命令。作為煤礦探測機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、人機交互 Agent、決策 Agent 以及運動控制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)是感知機器人的外部環(huán)境信息和機器人狀態(tài)信息，并將這些信息傳遞給定位導(dǎo)航 Agent 和人機交互管理系統(tǒng)，以便這些 Agent 能夠根據(jù)獲得的信息進行路徑規(guī)劃等操作。當遇見突發(fā)或緊急狀況時，感知 A-gent 將信息發(fā)送至反射行為 Agent，直接對機器人進行控制。

反射行為 Agent。反射行為 Agent 主要負責一些突發(fā)和緊急事件的處理，它直接接收來自感知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)果傳遞給運動控制 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，它將煤礦探測機器人當前的位置、姿態(tài)發(fā)送給決策 Agent，決策 Agent 對所接收的數(shù)據(jù)進行處理后生成電機控制命令，發(fā)送至運動控制 Agent，從而調(diào)整機器人的姿態(tài)和動作。定位與導(dǎo)航 Agent還將感知 Agent 的信息發(fā)送至人機交互 Agent，工作人員通過人機交互界面對機器人的位置和姿態(tài)進行人為的干預(yù)，并將這些干預(yù)信息直接發(fā)送至運動控制 Agent 中進行機器人的控制。人機交互管理系統(tǒng)。通過人機交互管理系統(tǒng)，操作人員可遠程監(jiān)視機器人系統(tǒng)的狀態(tài)，向機器人下達任務(wù)，實現(xiàn)人機交互功能。通過人機接口，可監(jiān)視機器人運行狀態(tài)，操作人員也可以向機器人發(fā)出指令人工遙控煤礦探測機器人的行為。

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

運動解析器。運動解析器在工作的過程當中接收反射行為 Agent、決策 Agent 和人機交互管理系統(tǒng) 3 個不同 Agent 的信息 ( 這里也可以將人機交互系統(tǒng)看作是一個 Agent) ，從而驅(qū)動電機的動作。但是，3 個 Agent 在發(fā)送信息的時候會出現(xiàn)沖突，在軟件設(shè)計當中人為設(shè)置反射行為Agent 的指令優(yōu)先級最高，這樣就能夠在發(fā)生緊急情況時系統(tǒng)能夠馬上中斷其他 2 個 Agent 指令，優(yōu)先運行反射行為 Agent 指令，保證了機器人的安全性。在運動解析器驅(qū)動電機實現(xiàn)機器人的各種動作行為后，機器人所處的外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)也同時發(fā)生相應(yīng)的變化，機器人又要開始新一輪感知與控制過程。子系統(tǒng)間通信方式由于煤礦探測機器人對實時性要求較高，尤其在進行圖像識別時傳感信息處理系統(tǒng)與視覺系統(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)開發(fā)和相互調(diào)用方便，煤礦探測機器人主系統(tǒng)通過 DLL ( 動態(tài)鏈接庫) 調(diào)用各子系統(tǒng)程序。煤礦探測機器人的軟件系統(tǒng)被分為主程序和 DLL 程序，使得多個應(yīng)用程序可以共享同一段代碼，節(jié)省了機器人程序的資源空間，減少了程序的執(zhí)行代碼。

試驗

在試驗空間為6 m ×18 m 的實驗室環(huán)境下，對該系統(tǒng)進行了機器人自主行駛試驗。該機器人的控制系統(tǒng)以 Windows 2000 操縱系統(tǒng)作為平臺，軟件程序在 VC + + 環(huán)境下進行編寫，可通過無線以太網(wǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)通信。將實際行走路徑與仿真規(guī)劃路徑 ( 仿真環(huán)境為 Matlab7. 1) 進行了對比 (圖略) ，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，機器人實際行走路線與仿真規(guī)劃路線變化趨勢基本一致，機器人可以依靠傳感器信息與自主控制系統(tǒng)到達指定目標區(qū)域，證明所研究設(shè)計的機器人控制系統(tǒng)的架構(gòu)方式是穩(wěn)定可行的。

將煤礦探測機器人置入模擬煤礦巷道中模擬在救援現(xiàn)場中的行駛過程，將機器人放置在主巷道處，向開采工作面行駛。在試驗中，不給機器人除起始點外的任何環(huán)境信息，讓機器人自主行駛，用以驗證機器人在狹窄環(huán)境中遇到障礙時的反應(yīng)及機器人控制系統(tǒng)的綜合可靠性。通過圖 6 可以看出機器人在面對障礙物時會很快做出反應(yīng)，并順利避過障礙物。通過監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)機器人行駛狀態(tài)良好，可以順利到達目標區(qū)域，證明了設(shè)計的煤礦探測機器人系統(tǒng)可以保證機器人適應(yīng)煤礦行駛環(huán)境。

結(jié)語

根據(jù)煤礦探測機器人的應(yīng)用環(huán)境與工作目標，基于分布式、模塊化的思想研究并設(shè)計了煤礦探測機器人控制系統(tǒng)。試驗驗證所建立的機器人控制系統(tǒng)可靠，性能達到了應(yīng)用要求。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，開放性好，易于搭建。軟件采用面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ剑子诤推渌浖B接和升級。

本人作者：張軍輝 李曉鵬 單位：中國煤炭科工集團有限公司 中國煤炭科工集團西安研究院