煤礦探測機器人多傳感器控制系統研究

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控制系統總體設計

煤礦探測機器人控制系統的主要任務分為 3類: 一是數據采集與處理，采集各種傳感器信息，包括導航信息、環境信息和機器人自身狀態信息;二是決策處理功能，將信息融合與處理系統的信息作為決策依據，協調決策系統各模塊間任務，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。根據煤礦探測機器人的需求分析，要實現煤礦探測機器人的各種功能，就必須搭建出一個結構化、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。本文搭建煤礦探測機器人的控制系統分為 3 個層次，即決策控制層、傳感信息層、執行控制層。

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，所以簡化了該層的硬件設計。該層的主要功能是對各個傳感器的數據進行融合，然后把處理的結果轉化為運動執行控制層的命令發送給運動執行控制層。決策控制功能在Windows 2000 操作系統上完成。機器人在工作過程中的數據融合與智能計算均在該系統上進行，系統的功能主要由決策計算機上搭載的決策控制系統來實現。煤礦探測機器人對外部的通信通過無線網絡模塊構成一個局域網絡監控系統。

傳感信息層。應用于煤礦探測機器人的傳感器可分為內部傳感器和外部傳感器 2 類。內部傳感器用于監測機器人系統內部狀態參數，外部傳感器用于感知外部環境信息。該層通過各個傳感器模塊對機器人內部狀態和外部環境信息進行監測，通過各自的調理電路和通信總線將采集到的數據上傳至決策控制層的決策計算機。

執行控制層。執行控制層主要由機器人各關節驅動電機及其驅動控制器組成，負責根據決策控制層的決策信息控制動作執行部件———直流伺服電機完成具體的動作。各關節電機的控制器由CAN 總線連接，組成 CAN 網絡，在經過 CAN toUSB 的協議轉換器可與決策系統連接。運動控制命令通過 CAN 轉換控制器轉換為總線信號，總線信號經過 CAN 總線根據各個驅動電機的 CAN － ID 發送到各電機控制器，各電機控制器根據 CAN － ID識別各自收到的命令驅動所連接的電機完成相應的任務，并把電機運行情況通過 CAN 總線反饋給主控計算機，由此構成了閉環關節控制系統(圖略) 。整個運動執行系統有良好的拓展性能，可以并聯最多 127 個驅動設備。通過這 3 個層次的協調工作，煤礦探測機器人實現了通過監測內部狀態和外部環境來控制自己行為的功能。

控制系統軟件設計

根據煤礦探測機器人控制系統總體設計，將煤礦探測機器人軟件系統結構分為 3 層，從下至上分別為硬件層、通信協議層和核心控制層 (圖略) 。硬件層和通信協議層硬件層是整個系統的基礎，機器人的內部狀態和外部環境都要通過硬件層進行感知和監測。硬件層主要包括各個傳感器及其調理電路和電機及其驅動器等。通信協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議進行信息的交互。本系統有 USB 通信協議、RS232 串口通信協議、CANOpen 通信協議。例如CANOpen 通信協議，決策控制計算機和電機驅動器通過 CANOpen 通信協議進行通信。在通信的時候，CANOpen 協議將 CAN 節點號作為設備物理地址對設備進行身份識別，因此要給每一個 CAN 驅動控制器設備分配一個唯一節點號，范圍從 1 ～127，0 號節點為廣播地址。

核心控制層核心控制層是機器人控制的核心，是軟件系統最重要的組成部分，主要功能是將傳感器采集的數據進行處理并向運動控制層發送命令。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 是與設備相關的，其余均是軟件 Agent。

感知 Agent。感知 Agent 的主要任務是感知機器人的外部環境信息和機器人狀態信息，并將這些信息傳遞給定位導航 Agent 和人機交互管理系統，以便這些 Agent 能夠根據獲得的信息進行路徑規劃等操作。當遇見突發或緊急狀況時，感知 A-gent 將信息發送至反射行為 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，它將處理的結果傳遞給運動控制 A-gent。在反射行為 Agent 中采用的是反應式行為，能夠快速地做出反應，應對突發情況。

導航 Agent。導航 Agent 接收感知 Agent 的信息，它將煤礦探測機器人當前的位置、姿態發送給決策 Agent，決策 Agent 對所接收的數據進行處理后生成電機控制命令，發送至運動控制 Agent，從而調整機器人的姿態和動作。定位與導航 Agent還將感知 Agent 的信息發送至人機交互 Agent，工作人員通過人機交互界面對機器人的位置和姿態進行人為的干預，并將這些干預信息直接發送至運動控制 Agent 中進行機器人的控制。人機交互管理系統。通過人機交互管理系統，操作人員可遠程監視機器人系統的狀態，向機器人下達任務，實現人機交互功能。通過人機接口，可監視機器人運行狀態，操作人員也可以向機器人發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，是整個系統的大腦。它接收定位與導航Agent 和感知 Agent 的信息，將這些信息進行綜合處理與融合，得出一致性結果，這個結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 3 個不同 Agent 的信息 ( 這里也可以將人機交互系統看作是一個 Agent) ，從而驅動電機的動作。但是，3 個 Agent 在發送信息的時候會出現沖突，在軟件設計當中人為設置反射行為Agent 的指令優先級最高，這樣就能夠在發生緊急情況時系統能夠馬上中斷其他 2 個 Agent 指令，優先運行反射行為 Agent 指令，保證了機器人的安全性。在運動解析器驅動電機實現機器人的各種動作行為后，機器人所處的外部環境和內部狀態也同時發生相應的變化，機器人又要開始新一輪感知與控制過程。子系統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與視覺系統之間要快速交換大量信息，因此，本系統各子系統間設計采用基于內存共享的通信方式。

主程序調用 Agent 子程序有些子系統的功能是比較常用的，為了便于系統開發和相互調用方便，煤礦探測機器人主系統通過 DLL ( 動態鏈接庫) 調用各子系統程序。煤礦探測機器人的軟件系統被分為主程序和 DLL 程序，使得多個應用程序可以共享同一段代碼，節省了機器人程序的資源空間，減少了程序的執行代碼。

試驗

在試驗空間為6 m ×18 m 的實驗室環境下，對該系統進行了機器人自主行駛試驗。該機器人的控制系統以 Windows 2000 操縱系統作為平臺，軟件程序在 VC + + 環境下進行編寫，可通過無線以太網與監控系統通信。將實際行走路徑與仿真規劃路徑 ( 仿真環境為 Matlab7. 1) 進行了對比 (圖略) ，經對比發現，機器人實際行走路線與仿真規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到達指定目標區域，證明所研究設計的機器人控制系統的架構方式是穩定可行的。

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境信息，讓機器人自主行駛，用以驗證機器人在狹窄環境中遇到障礙時的反應及機器人控制系統的綜合可靠性。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，并順利避過障礙物。通過監測系統發現機器人行駛狀態良好，可以順利到達目標區域，證明了設計的煤礦探測機器人系統可以保證機器人適應煤礦行駛環境。

結語

根據煤礦探測機器人的應用環境與工作目標，基于分布式、模塊化的思想研究并設計了煤礦探測機器人控制系統。試驗驗證所建立的機器人控制系統可靠，性能達到了應用要求。該系統采用模塊化設計，開放性好，易于搭建。軟件采用面向對象的編程模式，易于和其他軟件連接和升級。

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