含有容錯策略的球形機械人控制機構(gòu)研究

孫瑞彤

摘 要：立足于容錯功能對具備高穩(wěn)定性的一款球狀機器人操控體系展開研究。依照球狀機器人自行活動的功能需求把操控問題劃分成八個分體控制裝置，且基于分體操控裝置的結(jié)構(gòu)分析以及多功能傳感裝置的球狀機器人嵌入型控制體系。此類分體操控裝置彼此之間蘊含著通訊及訊息交互傳遞的功能，在職責分擔及協(xié)作配合上具備自立性。依托在時間上包容過錯及訊息傳遞上包容過錯的工藝設(shè)計以及球狀機器人的控制軟件體系，來編制出監(jiān)控型軟件以便監(jiān)視軟件組織的運行態(tài)勢變化。

關(guān)鍵詞：球狀機器人；操控體系；容錯功能；控制機構(gòu)

自從著名工程專家HALMEA等人在一九九六年率先研發(fā)出球狀機器人之后，其行為操控體系始終被看作球狀機器人開發(fā)范疇內(nèi)的重點性問題。球狀機器人動作機構(gòu)的特異性能及操控手段的繁瑣性促使現(xiàn)階段的研究過程重點關(guān)注于對其的動力學性質(zhì)研究及模型構(gòu)建，另外還有針對相關(guān)運動過程操控及規(guī)劃程序的設(shè)計工作等項內(nèi)容上，而在盡力編制穩(wěn)妥的、把握的操控機構(gòu)以減少裝置運作過程中的事故發(fā)生率等方面的研究過程卻是很少。容錯操控體系可以大幅度地提升運作裝置的穩(wěn)固性及把握性。依托構(gòu)建退化過程條件數(shù)目及容錯過程影響系數(shù)等性能參數(shù)來擬定并使冗余型機器人具被最高容錯控制性能的編制數(shù)據(jù)。

1 球狀機器人操控機構(gòu)的擬定和分析

直到現(xiàn)在，自行性機器人的操控機制重點包括3類經(jīng)典的構(gòu)成：依托效能分擔及多層遞級的控制構(gòu)架、依托過程操控的響應(yīng)型操控機構(gòu)以及依托于程序規(guī)劃及響應(yīng)的混合型操控機構(gòu)。多層遞級型系統(tǒng)機構(gòu)操控其構(gòu)架層次明晰，完整地處置了機構(gòu)效能及操控精準度的矛盾，然而其需要對所處環(huán)境條件實施整體方位的感悟及精準的擬模過程。響應(yīng)型操控機構(gòu)中，其內(nèi)部的多個層次都具備單獨的環(huán)境性的感悟功能，對周邊環(huán)境具備極佳的魯棒性能及配合性能，然而其欠缺全方位的引導和配合。混合型操控機構(gòu)把對周邊環(huán)境的感悟、策略型操控及前期邏輯推理等效能模塊緊密地融合到一起，不但具備了多層構(gòu)架的整體性，又帶有了響應(yīng)型機構(gòu)的機動性。

1.1 球狀機器人操控體系的機構(gòu)編制手段

球狀機器人操控體系亦可將其叫做“復合式操控體系”，其是依托操控運算方法及眾多小范圍操控構(gòu)件所構(gòu)成的。其中各個操控運算方法均可被叫做單元操控器件，它們彼此之間蘊含著高低層次及彼此默契配合的關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中可以實現(xiàn)特型動作過程的單元操控器件組成了小范圍復合式操控機構(gòu)，而球狀機器人的曹控體系正是依托此類小范圍組合式操控裝置所組成的。小范圍復合式調(diào)控機構(gòu)彼此之間蘊含著小范圍內(nèi)的緊密融合關(guān)系，具備彼此通訊及訊息交流互動的功能，在動作過程分擔及配合內(nèi)容上具備自行性能。給球狀機器人自行活動過程所編制的八個小范圍組合式操控器件的實際內(nèi)涵及效能為：

（1）移動型機器人操控機構(gòu)是總體操控體系內(nèi)最高等級的小范圍操控機構(gòu)，具備最高等級的優(yōu)先行為效能，其擔負著機器人訊息傳導部件的訊息測試、小范圍操控機構(gòu)的形態(tài)匹配、遠距離操控指令的接領(lǐng)及機器人動作形態(tài)訊息的響應(yīng)等。

（2）電動馬達監(jiān)控機構(gòu)是電動設(shè)備應(yīng)侍操控各分體單元機構(gòu)中的監(jiān)管層單體操控裝置，可以依照實際所需行為過程密切監(jiān)控下層單體操控裝置的運作狀況，且測試電動馬達的運作形態(tài)。

1.2 球狀機器人操控體系的組成分析

依照給出的組成編制程序所研發(fā)的球狀機器人操控體系的重點涵蓋內(nèi)容包括：應(yīng)侍操控單元、電源控制單元、導向和訊息傳感結(jié)構(gòu)單元、通訊結(jié)構(gòu)單元、內(nèi)嵌型操控分體單元及遠距離操控單元等。這里的應(yīng)侍驅(qū)動控制單元是由電動馬達、降速裝置及電動馬達驅(qū)動裝置組合而成；導向及訊息傳感操作單元是由慣性體檢測機構(gòu)、激光型距離測定裝置、視角型訊息傳感裝置及光電訊息程序編制裝置構(gòu)成。

2 球狀機器人操控體系的容錯機制

球狀機器人的操控體系是屬于一種極為復雜型的電腦操控體系，其組成中的硬件組成及軟件組成的總量相當大，所以其機構(gòu)發(fā)生故障的可能性亦極大。

2.1 冗余型兩備份應(yīng)侍操控分體單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在此給出了一款冗余兩備份的電動馬達應(yīng)侍操控分體單元。其兩臺電動馬達都是屬于無刷型直流式電動馬達，且設(shè)置了行星式降速裝置及光電編碼機構(gòu)以及驅(qū)動控制器。伺服控制子系統(tǒng)采用兩套相同的驅(qū)動控制器在仲裁管理下共同控制一個電動機的運行模式。

2.2 軟件系統(tǒng)的容錯策略

球形機器人控制系統(tǒng)的軟件主要采用了時間容錯和信息容錯的設(shè)計方法。時間容錯方法是以犧牲時間來換取系統(tǒng)高可靠性的一種手段。信息容錯是指為了檢測和糾正信息在運算或傳輸過程中的錯誤而外加了一部分冗余信息碼，使原來不相關(guān)的數(shù)據(jù)變?yōu)橄嚓P(guān)，并把這些冗余碼作為監(jiān)督碼與有關(guān)的信息一起傳遞，從而實現(xiàn)冗余容錯。球形機器人控制系統(tǒng)的軟件采用兩類方式的時間容錯方法，是通過重復執(zhí)行指令來檢測故障。

3 結(jié)語

針對球形機器人控制系統(tǒng)復雜性和結(jié)構(gòu)特殊性，提出了球形機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并將控制問題分解為8個局部控制器。這些局部控制器的集合構(gòu)成了球形機器人的控制系統(tǒng)，而且局部子控制器相互之間具有通信和信息交互的能力，在任務(wù)分配和協(xié)作方面具有自主性。本文基于提出的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研制了球形機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，論述了各個組成部分之間的相互關(guān)系。

參考文獻

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（作者單位：St.Thomas More School）