1．引言
戰(zhan)斗是(shi)(shi)(shi)(shi)人(ren)(ren)們所沒有(you)違心見到的(de)，但有(you)時是(shi)(shi)(shi)(shi)不(bu)(bu)可避(bi)免的(de)。為了正(zheng)在(zai)戰(zhan)斗中(zhong)取得劣勢(shi)，盡(jin)量的(de)削減人(ren)(ren)員傷亡跟(gen)經濟(ji)損失，世界上許多國度皆投(tou)入大(da)批(pi)的(de)人(ren)(ren)力(li)、財(cai)力(li)研討(tao)制造軍(jun)(jun)用機(ji)器人(ren)(ren)。海(hai)洋微小型探(tan)查(cha)機(ji)器人(ren)(ren)是(shi)(shi)(shi)(shi)軍(jun)(jun)用機(ji)器人(ren)(ren)的(de)一種。它存在(zai)體積小，布(bu)局簡(jian)略，本錢昂(ang)貴，研討(tao)周期短，易實(shi)現“群(qun)”進擊等特色。正(zheng)在(zai)真實(shi)戰(zhan)斗中(zhong)不(bu)(bu)容易被察覺，簡(jian)單接(jie)(jie)近方針，可以(yi)(yi)取得大(da)批(pi)真實(shi)靠得住(zhu)跟(gen)實(shi)時的(de)數(shu)據。以(yi)(yi)是(shi)(shi)(shi)(shi)正(zheng)在(zai)現階(jie)段間接(jie)(jie)的(de)戰(zhan)役型機(ji)器人(ren)(ren)借不(bu)(bu)突破性希(xi)望的(de)時間，探(tan)查(cha)機(ji)器人(ren)(ren)成為軍(jun)(jun)用機(ji)器人(ren)(ren)研討(tao)的(de)熱(re)點。
本文以中(zhong)國科(ke)學院沈(shen)陽(yang)自動(dong)化研究所正在研制的(de)小型空中(zhong)探查機器(qi)人“山羊(yang)號”為實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)根(gen)底，實(shi)(shi)(shi)現了機器(qi)人的(de)監(jian)視式(shi)控制器(qi)的(de)計劃，并正在這個機器(qi)人平臺(tai)上驗(yan)(yan)證了監(jian)視式(shi)節制的(de)方法(fa)的(de)實(shi)(shi)(shi)際可行性(xing)跟優越(yue)性(xing)。
2．監視(shi)式(shi)節制與其他節制方法(fa)的(de)比(bi)力(li)
挪動(dong)控制器的(de)(de)計劃(hua)是微(wei)小型探查機(ji)(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)一(yi)個研(yan)討重點。開展(zhan)古代機(ji)(ji)器人(ren)(ren)控制系統的(de)(de)實踐經(jing)驗評釋(shi)，正在現有(you)的(de)(de)實際跟(gen)技術水平(ping)下，研(yan)討具有(you)高度智能的(de)(de)齊自立機(ji)(ji)器人(ren)(ren)的(de)(de)技巧前提還遠未成熟；關于(yu)田野機(ji)(ji)器人(ren)(ren)來講(jiang)，因(yin)為通信可靠性(xing)(xing)跟(gen)時延性(xing)(xing)沒法(fa)保障，情(qing)況多(duo)樣性(xing)(xing)復雜(za)性(xing)(xing)招致信息獲(huo)得(de)有(you)限，雜(za)手動(dong)遙操縱招致節制可靠性(xing)(xing)降(jiang)低，復雜(za)性(xing)(xing)增長。以(yi)是，研(yan)討跟(gen)計劃(hua)面向特定使命特有(you)情(qing)況下的(de)(de)監控式移(yi)動(dong)機(ji)(ji)器人(ren)(ren)是一(yi)種較(jiao)為理想跟(gen)可行的(de)(de)做法(fa)。
監督(du)控制(zhi)最早由Ferrell跟Sheridan于(yu)1967年(nian)正(zheng)在美國月球車(che)籌劃中明確提出。Sheridan關于(yu)監督(du)控制(zhi)的(de)(de)界(jie)說(shuo)為(wei)：一個或(huo)多個操作員中斷(duan)編(bian)程(cheng)且時(shi)斷(duan)時(shi)續天從(cong)計算(suan)(suan)機(ji)吸收信息，計算(suan)(suan)機(ji)應用傳感器跟驅動器節(jie)(jie)(jie)制(zhi)歷程(cheng)或(huo)使命(ming)情(qing)況，擔(dan)任閉(bi)環回(hui)路。監督(du)控制(zhi)兩個緊(jin)張天表現方法是同(tong)享節(jie)(jie)(jie)制(zhi)跟交(jiao)互式節(jie)(jie)(jie)制(zhi)。交(jiao)互式節(jie)(jie)(jie)制(zhi)界(jie)說(shuo)為(wei)：操作員先(xian)履行(xing)(xing)一部(bu)分(fen)事(shi)情(qing)，然后讓(rang)機(ji)器人自立(li)天履行(xing)(xing)另一部(bu)分(fen)事(shi)情(qing)；同(tong)享節(jie)(jie)(jie)制(zhi)界(jie)說(shuo)為(wei)：操作員處于(yu)遙操縱(zong)形態，機(ji)器人處于(yu)自立(li)形態，兩者同(tong)時(shi)履行(xing)(xing)使命(ming)。Sheridan曾羅(luo)列了計算(suan)(suan)機(ji)跟人的(de)(de)4種彼此關聯：延長、分(fen)管、備份、取(qu)代(dai)。人工控制(zhi)，監督(du)控制(zhi)跟自立(li)節(jie)(jie)(jie)制(zhi)體系結構上的(de)(de)區別跟接(jie)洽，如圖1：
3．體系組成
田野探查機器人的用途決意(yi)這個機器人的布局必需(xu)簡略，靠得住，具有(you)可替(ti)代跟(gen)易(yi)進級的尺度，使其富有(you)生命力。
自動分揀機器人優勢3.1硬件組成
該機(ji)器人(ren)利用履帶—腿(tui)復合(he)挪(nuo)動機(ji)構(gou)，復合(he)型(xing)挪(nuo)動機(ji)構(gou)次要是為移動機(ji)器人(ren)正在非布(bu)局情況(kuang)中使(shi)用而(er)研討的，目(mu)標(biao)是進步其非布(bu)局情況(kuang)中的經由過程才能。名(ming)目(mu)稱之為“山羊號(hao)”機(ji)器人(ren)，見圖2：
焦點(dian)主控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)(qi)利用(yong)了(le)瑞士數(shu)字邏輯公司供給的(de)(de)(de)PC104。作(zuo)(zuo)為一(yi)種比力新型跟(gen)壯大(da)的(de)(de)(de)總線(xian)情勢跟(gen)公用(yong)節制(zhi)(zhi)設備，PC104采取(qu)(qu)了(le)尺度的(de)(de)(de)積木式(shi)硬件布(bu)局(ju)，簡(jian)單擴展功(gong)用(yong)跟(gen)端口(kou)；存在壯大(da)的(de)(de)(de)運(yun)算才(cai)能，使(shi)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)存在處理速度快才(cai)能強的(de)(de)(de)特色；存在優越的(de)(de)(de)耐(nai)熱、耐(nai)寒、防潮、抗震機(ji)(ji)能，順應卑(bei)劣(lie)的(de)(de)(de)田(tian)野前提。控制(zhi)(zhi)臺體系采取(qu)(qu)了(le)與(yu)PLC近似的(de)(de)(de)德(de)國WOGO工業MODBUS適(shi)配器(qi)(qi)(qi)作(zuo)(zuo)為節制(zhi)(zhi)焦點(dian)，上位機(ji)(ji)下位機(ji)(ji)之間的(de)(de)(de)通信遵守(shou)了(le)MODBUS和(he)談(tan)經由(you)過程(cheng)無線(xian)數(shu)傳(chuan)電臺實現(xian)。WOGO工業MODBUS適(shi)配器(qi)(qi)(qi)模塊化(hua)的(de)(de)(de)軟件設計(ji)，不變靠(kao)得住，非常適(shi)合于機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)控制(zhi)(zhi)臺數(shu)據收羅跟(gen)數(shu)據顯現(xian)等使(shi)用(yong)。
機器人運(yun)動控制系(xi)統是機器人節制各軸機電實(shi)現(xian)遙操縱的(de)焦點。本體系(xi)采(cai)(cai)取了DeltaTau公司供給(gei)的(de)PC104接(jie)口的(de)PMAC2型(xing)運(yun)動控制卡，可以(yi)(yi)同時節制四個(ge)機電，實(shi)現(xian)四軸聯動。可以(yi)(yi)實(shi)現(xian)：履(lv)行(xing)運(yun)動順序、停(ting)止伺服環更新、機電的(de)換相更新、軟(ruan)硬(ying)件平安資源管理、與主(zhu)機通(tong)(tong)(tong)訊、使(shi)命優先級(ji)組織等(deng)等(deng)功(gong)用(yong)。是一塊極為壯大的(de)運(yun)動控制卡。無(wu)(wu)線(xian)數(shu)據(ju)通(tong)(tong)(tong)訊體系(xi)采(cai)(cai)取美國MDS無(wu)(wu)線(xian)數(shu)傳(chuan)電臺(tai)，存在尺度RS232通(tong)(tong)(tong)信(xin)心(xin)，采(cai)(cai)取無(wu)(wu)線(xian)擴頻(pin)技巧，利用(yong)220M頻(pin)段，次要用(yong)于(yu)近程(cheng)無(wu)(wu)線(xian)點對點或多點間無(wu)(wu)線(xian)數(shu)據(ju)通(tong)(tong)(tong)訊傳(chuan)輸速(su)度可以(yi)(yi)達15.2Kbps，利用(yong)2db天線(xian)室內通(tong)(tong)(tong)信(xin)距離可以(yi)(yi)到達300米(mi)。
機器(qi)人(ren)窺察(cha)體(ti)(ti)系(xi)采取(qu)SURF系(xi)列無(wu)線(xian)圖(tu)象發射(she)/接(jie)管體(ti)(ti)系(xi)，由兩(liang)個(ge)攝像(xiang)頭及一(yi)套無(wu)線(xian)圖(tu)象發射(she)/接(jie)管體(ti)(ti)系(xi)組成，兩(liang)個(ge)攝像(xiang)頭離(li)別(bie)裝置正(zheng)在機器(qi)人(ren)本體(ti)(ti)的前端跟本體(ti)(ti)上(shang)端。經由過程(cheng)前往近程(cheng)圖(tu)象實現對非布(bu)局情況下(xia)的近程(cheng)監控。機器(qi)人(ren)內部結構如圖(tu)3：
3.2軟件組成
山羊號的(de)(de)(de)(de)軟件系統(tong)分為五個部門：機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)底(di)層舉(ju)措(cuo)級節(jie)制(zhi)(zhi)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)；上位(wei)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)研討職(zhi)員(yuan)的(de)(de)(de)(de)操縱情況和人(ren)機(ji)(ji)(ji)交互(hu)界(jie)面；上位(wei)機(ji)(ji)(ji)和機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)(de)(de)(de)通信機(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)和指令數據(ju)收(shou)發(fa)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)；機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)上的(de)(de)(de)(de)視覺收(shou)羅傳輸模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)；上位(wei)機(ji)(ji)(ji)和下(xia)位(wei)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)人(ren)工(gong)干預跟切換(huan)節(jie)制(zhi)(zhi)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)模(mo)(mo)塊(kuai)(kuai)。機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)底(di)層舉(ju)措(cuo)級別的(de)(de)(de)(de)節(jie)制(zhi)(zhi)由(you)DeltaTau的(de)(de)(de)(de)運動控(kong)制(zhi)(zhi)卡實(shi)現，它(ta)可(ke)以(yi)同(tong)時對(dui)四(si)個機(ji)(ji)(ji)電停止節(jie)制(zhi)(zhi)，實(shi)現行走(zou)、擺臂、轉彎、翻身、支起(qi)等根(gen)本舉(ju)措(cuo)跟一系列舉(ju)措(cuo)組合。
中國快遞分揀機器人驚呆人(ren)機(ji)交(jiao)互模(mo)塊基于windows編程，經由過(guo)程WOGO的(de)MODBUS適配器(qi)前往機(ji)器(qi)人(ren)形態，而且顯現機(ji)器(qi)人(ren)攝像頭收羅(luo)到的(de)圖象。操縱職員可以正在已(yi)有的(de)機(ji)器(qi)人(ren)舉措(cuo)級(ji)別指(zhi)令跟使命(ming)順序(xu)的(de)根底上，增添新的(de)使命(ming)順序(xu)或許點竄現有指(zhi)令順序(xu)。
由于(yu)山羊(yang)號(hao)的(de)本體(ti)操作系(xi)統是(shi)嵌入式及(ji)時多任務(wu)體(ti)系(xi)QNX，它能(neng)夠會(hui)同時停止或許實現多任務(wu)，是(shi)以調(diao)和的(de)通信便很(hen)緊張。此中包羅(luo)：
上位機和下位機的無線通訊，包羅(luo)形態(tai)數據(ju)反應(ying)跟(gen)控制指令的下達(da)。
主控(kong)制(zhi)器PC104跟運動控(kong)制(zhi)卡間應用串口(kou)停止的(de)通信，監(jian)視(shi)使命的(de)實現跟舉措(cuo)的(de)平安精確。
QNX供給的多(duo)任務才能(neng)時各(ge)個使(shi)命間(jian)的通信(xin)。
上(shang)位(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)和下位(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)的人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)工干(gan)預跟(gen)切換(huan)節制(zhi)(zhi)機(ji)(ji)(ji)制(zhi)(zhi)的實(shi)現方法(fa)次要(yao)有兩種。一是操(cao)作員間接接受機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的節制(zhi)(zhi)，經由(you)過程上(shang)位(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)操(cao)縱桿節制(zhi)(zhi)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)舉措，而(er)且由(you)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)實(shi)現使(shi)命(ming)(ming)計劃，此時機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)近似(si)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)工控制(zhi)(zhi)；二是操(cao)作員監視機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的使(shi)命(ming)(ming)履(lv)行(xing)(xing)，而(er)且由(you)便(bian)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)或許機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)自動提議中斷(duan)使(shi)命(ming)(ming)跟(gen)代替(ti)的指令，以保(bao)障(zhang)使(shi)命(ming)(ming)的畸形履(lv)行(xing)(xing)跟(gen)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的平安。那(nei)內里實(shi)現了監督控制(zhi)(zhi)的思(si)惟。
監視式移動機器(qi)(qi)人控制器(qi)(qi)次要實(shi)現的功用有：
外界情況信息(xi)、傳感(gan)器(qi)、處理器(qi)跟(gen)舉(ju)措執行機(ji)構造成閉環，實(shi)現(xian)機(ji)器(qi)人部分自立(li)才(cai)能的底層節制環；
吸收、響應操作員(yuan)指令，實現人工干預(yu)跟替代機制(zhi)，造成人機節制(zhi)閉環(huan)。是(shi)以，山羊號監(jian)控(kong)體系次(ci)要(yao)分(fen)紅兩個子系統，它(ta)的(de)層次(ci)模型如圖4，對應監(jian)督(du)控(kong)制(zhi)的(de)界說，明顯(xian)它(ta)是(shi)一個監(jian)控(kong)式機器(qi)人控(kong)制(zhi)器(qi)。
山羊號機器人控制器的使命履行(xing)跟節制流(liu)程以(yi)下：
垃圾分揀機器人單機械臂操作者(zhe)擬出使命(ming)計劃，并天(tian)生機器人可實現跟可以(yi)接(jie)管的(de)一個舉(ju)措序列的(de)機器人語言指令；
將指令傳到(dao)機(ji)器(qi)(qi)人本體，由機(ji)器(qi)(qi)人控制器(qi)(qi)接收并實現；
若是使命(ming)計劃曾經參加知識(shi)庫中，操(cao)作者調出對(dui)應使命(ming)代號并(bing)監(jian)督機(ji)器人(ren)實(shi)現(xian)；
關于曾經(jing)參加知識(shi)庫的使命，機器人正(zheng)在傳(chuan)感器信息的撐持下自立(li)實(shi)現，操作者僅作為監督者；
正在(zai)任何形態跟節制方法下(xia)，操(cao)作者經由(you)過程前往信息發現異(yi)常環境(jing)，均可以干涉干與(yu)或(huo)許(xu)急(ji)迫中(zhong)斷使命(ming)(ming)，將后面使命(ming)(ming)指令作廢，完整轉入手(shou)動節制；
給機(ji)器(qi)人本體參加自立(li)中斷形式，正在使(shi)命履行進程中，若是因為(wei)延時或許毛病等緣故原由形成信(xin)息(xi)沒(mei)法(fa)實(shi)時反應，機(ji)器(qi)人由傳(chuan)感器(qi)信(xin)息(xi)斷定若是環境危及機(ji)器(qi)人平安(an)或許使(shi)命序列(lie)沒(mei)法(fa)繼(ji)續執(zhi)行，將中斷使(shi)命守候人工停止使(shi)命的(de)規復或許勾銷。
自動化分揀機器人原理4．實現環境
此刻該機(ji)器人曾經可(ke)以實現(xian)高(gao)低(di)尺度(du)人行(xing)樓梯、跨溝、翻倒自動復(fu)位、高(gao)低(di)高(gao)臺(tai)、正在(zai)沙地行(xing)走等功(gong)用。人機(ji)存在(zai)了較好的協調性跟控制性。如上圖2可(ke)以看到其對應(ying)的某些行(xing)為能力。
5．論斷
監視式控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)正(zheng)(zheng)在(zai)田野移動機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)節(jie)(jie)制(zhi)(zhi)(zhi)上有(you)(you)著優越的(de)(de)(de)(de)適應性，操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)(zhe)可(ke)以經由過(guo)程監視器(qi)(qi)跟(gen)(gen)形態反應窺察使命(ming)履行，大大加(jia)(jia)重了操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)(de)事情壓力跟(gen)(gen)妙技要(yao)求；機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)存在(zai)必然的(de)(de)(de)(de)自(zi)立(li)(li)(li)才能(neng)，而且正(zheng)(zheng)在(zai)監控(kong)(kong)層次模型下，可(ke)以進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)開(kai)辟(pi)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)自(zi)立(li)(li)(li)才能(neng)，很簡單停止體系的(de)(de)(de)(de)進(jin)(jin)級，也可(ke)以作(zuo)為機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)自(zi)立(li)(li)(li)節(jie)(jie)制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)研討平臺；人(ren)(ren)、機(ji)(ji)離(li)別可(ke)操(cao)(cao)縱的(de)(de)(de)(de)急迫(po)形式，正(zheng)(zheng)在(zai)遠距節(jie)(jie)制(zhi)(zhi)(zhi)中，關(guan)于(yu)旌旗燈號耽擱、非布(bu)局情況的(de)(de)(de)(de)沒有(you)(you)肯(ken)定、機(ji)(ji)器(qi)(qi)跟(gen)(gen)電子(zi)毛病等(deng)(deng)環(huan)境惹起的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)安(an)全(quan)性問題(ti)，有(you)(you)了一(yi)(yi)個比力穩(wen)當跟(gen)(gen)可(ke)行的(de)(de)(de)(de)計劃(hua)。正(zheng)(zheng)在(zai)后續的(de)(de)(de)(de)研討中，將會進(jin)(jin)一(yi)(yi)步(bu)拆卸各種傳感器(qi)(qi)，進(jin)(jin)步(bu)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)自(zi)立(li)(li)(li)才能(neng)，參加(jia)(jia)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)在(zai)線(xian)學習更新(xin)知識庫的(de)(de)(de)(de)才能(neng)，改善(shan)操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)(zhe)界面使其加(jia)(jia)倍人(ren)(ren)性化等(deng)(deng)，使得山羊號既能(neng)成(cheng)為一(yi)(yi)個開(kai)辟(pi)研討平臺，同時(shi)也能(neng)成(cheng)為一(yi)(yi)個實際靠(kao)得住可(ke)用(yong)的(de)(de)(de)(de)產(chan)物。
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