自HALMEA即是1996年初次研制出球形機器人以來，控制系統始終被視為球形機器人研討范疇的關鍵問題。球形機器人布局的特殊性跟節制方式的復雜性使現階段的研討內容次要集合正在動力學剖析與建模跟運動節制與計劃戰略的計劃等方面，而對于若何計劃靠得住的、平安的控制系統以降低體系運轉時的故障率的研討卻少有波及。
容錯控制系統可能無效天進步體系的可靠性跟安全性。趙京等經由過程機關退化前提數跟容錯空間影響因子等性能指標去肯定使冗余度機器人存在最好容錯操縱機能的計劃參數。王太勇等將冗余容錯節制實際使用于壁面匍匐機器人體系中，將均勻無故障事情工夫延伸1倍。而正在及時嵌入式體系中，基于工夫容錯技巧計劃的容錯戰略對霎時毛病存在優越的容錯性能，并且占用較少的工夫跟存儲資源。FORSATI等綜合思量信息容錯跟工夫容錯技巧，并使用到電路系統的計劃中，從而無效天降低了電路系統的復雜度，并正在允許的時延內較大天節儉了硬件資源。
是以，本文以圖l所示的球形機器人為平臺，基于容錯戰略計劃球形機器人的控制系統。圖1所示的球形機器人由球殼、框架跟重擺構成，依賴兩組軸向垂直裝置的電動機轉變重擺的勢能去驅動球殼的運動。該布局存在應用起碼的節制輸入到達全方位行走的特色。文獻離別針對此球形機器人的動力學建模、魯棒運動節制跟門路跟蹤戰略停止了研討。本文的研討內容同時也是這些研討事情的持續，是實現球形機器人自主運動節制的根底。本文起首提出了球形機器人控制系統的結構設計方式，并正在此基礎上計劃復合型控制系統。然后基于分歧的容錯技巧離別計劃了存在高可靠性的冗余單備份電動機伺服控制系統跟軟件系統。最初經由過程實驗驗證控制系統的可行性和容錯戰略的有效性，并對成果停止具體分析跟探討。
圖1球形機器人
1球形機器人控制系統的計劃與剖析迄今為止，自立機器人的節制系統次要有3種典范的布局：基于功用分化跟分層遞階的控制結構、基于行動節制的反應式控制結構跟基于計劃跟反映的混合式控制結構。分層遞階式體系結構控制結構條理清晰，較好地解決了體系機能跟控制精度的問題，但須要對外界情況停止周全的感知跟正確的建模。反應式控制結構中體系的各個條理均存在自力的情況感知才能，對情況存在優越的魯棒性跟適應性，但短少全局性的指點與調和。混合式控制結構將情況感知、決策控制跟上層推理等功能模塊無機天聯合起來，既保存了分層布局的系統性，又繼續了反應式布局的靈活性。是以，本文采取基于計劃跟反映的混合式控制結構計劃方式計劃球形機器人的控制系統，將信息處理模塊與電動機節制聯合起來，上層采取無意識計劃，底層采取基于行動的電動機節制，組成一個遞階式的控制結構。
1.1球形機器人控制系統的結構設計方式
快遞自動分揀機器人行業球形機器人控制系統可以稱為“復合型控制系統”，是由控制算法跟部分控制部件構成的。每一個控制算法稱為根本控制器，相互之間存在高低等級跟彼此耦合的關聯。部門可能實現特定使命的根本控制器組成了部分復合型控制器，而球形機器人的控制系統恰是由這些部分復合型控制器組成的。部分復合型控制器相互之間存在著部分的耦合關聯，存在彼此通訊跟信息交互的才能，正在任務分配跟協作方面存在自主性。為球形機器人自主運動使命計劃的8個部分復合型控制器的詳細含意跟功用以下。
移動機器人監控單位（Mobilerobotsupervisionunit，MRSU）是全部控制系統中第一流部分控制器，擁有第一流優先權，擔任機器人傳感器的信息檢測、部分控制器的形態調和、近程節制下令的吸收跟機器人形態信息的反應等。
電動機監控單位（Motorsupervisionunit，MSU）是電動機伺服節制子系統中的監視級部分控制器，可能依據詳細運動使命間接羈系上級部分控制器的運轉，并檢測電動機的運轉形態。
電動機節制單位（Momrcontrolunit，MCU）擔任電動機的運動節制，并吸收電動機監控單位的羈系跟調理。
電源監控單位（Powersupervisionunit，PSU）是電源子系統的監視級部分控制器，擔任羈系電源的運轉環境。
運動決議計劃單位（Vehicledecisionunit，VDU）可能依據使命、情況信息跟導航單位的信息做出無效的決議計劃，并經由過程運動節制單位節制機器人的運動。
導航系統單位（Navigationsystemunit，NSU）擔任兩個激光測距儀跟視覺傳感器的旌旗燈號檢測、融會和設備形態監控等使命。
快遞分揀機器人設計電路圖運動節制單位（Vehiclecontrolunit，VCU）履行球形機器人速率跟姿態的伺服節制。
自動分揀機器人簡稱位姿觀察單位（Positionattitudeestimationunit，PAEU）實現光電編碼器與慣性丈量安裝的信息融會，并對球形機器人的位姿信息停止估量。
機器人監控單位、電源監控單位、運動節制單位跟位姿觀察單位離別對應一個及時使命，正在基于高性能耐SC處理器（AdvancedRISCMachines，ARM）計劃的電路系統內運轉。該電路系統可以稱為嵌入式控制器。運動決議計劃單位跟導航系統單位離別對應一個及時使命，一樣正在基于ARM計劃的電路系統內運轉。該電路系統可以稱為情況探測器。電動機監控單位跟電動機節制單位離別對應一個及時使命，正在基于數字信號處理器（DigitalsignalprocessorDSP）計劃的電動機伺服控制器內運轉。球形機器人控制系統邏輯布局如圖2所示。
圖2球形機器人控制系統邏輯結構圖
1.2球形機器人控制系統的布局剖析
依據圖2提出的結構設計方式研制的球形機器人控制系統的次要組成部分有：伺服節制子系統、電源子系統、導航與傳感子系統、通訊子系統、嵌入式節制子系統跟近程控制系統等。此中伺服驅動子系統由電動機、減速器跟電動機驅動器構成；導航跟傳感子系統由慣性丈量安裝、激光測距儀、視覺傳感器跟光電編碼器構成：通訊子系統由現場總線、串行總線跟無線發送／吸收模塊構成：嵌入式節制子系統由嵌入式控制器跟情況探測器構成；近程監控體系可能經由過程無線通信模塊及時查問球形機器人嵌入式控制系統的事情形態，設置球形機器人的事情形式。并且，每一個子系統的實體正在詳細實現時，并不是彼此自力的。球形機器人控制系統的構成如圖3所示。嵌入式控制器經由過程控制器局域網（Controllerareanetwork，CAN）總線離別吸收來自情況探測器的對于激光測距儀的信息跟來自伺服驅動器的光電編碼器的信息，同時經由過程RS232總線離別吸收來自慣性丈量安裝跟視覺傳感器的數據信息和近程節制信息，并對一切的信息數據停止剖析跟融會，依據使命跟情況做出響應的決議計劃，再經由過程CAN總線發送給伺服驅動器，從而節制電動機的舉措。嵌入式控制器應用CAN總線跟RS232總線及時監測每一個傳感器跟伺服驅動器的形態，同時經由過程無線模塊將體系的運轉形態反應給近程監控體系。
圖3球形機器人控制系統構成方框圖
2球形機器人控制系統的容錯戰略球形機器人的控制系統是一個比較復雜的計算機控制系統，硬件跟軟件的范圍比力年夜，是以體系呈現毛病的概率也較大。為了降低因為軟硬件問題反復產生的運轉毛病的概率，必需盡力追求進步控制系統可靠性的方式。除挑選更靠得住的元器件跟設備，努力提高工程技術中，本節基于容錯戰略研討球形機器人伺服節制子系統跟軟件系統的計劃方式。
2.1冗余單備份伺服節制子系統的計劃
本文提出了一種冗余單備份的電動機伺服節制子系統。兩個電動機均為無刷直流電念頭，并拆卸了行星減速器跟光電編碼器和驅動控制器。伺服節制子系統采取兩套不異的驅動控制器正在仲裁經管下配合節制一個電動機的運轉形式。若是嵌入式控制器檢測到某個驅動器呈現毛病，可以應用切換電路將電動機的繞組切換到備份驅動器的繞組接口上，從而實現對電動機的接連節制。如圖4所示，嵌入式控制器收回的旌旗燈號“Set”跟“Clk”顛末雙路D觸發器發生等效的“與”邏輯切換節制旌旗燈號“SW”。D觸發器不只對切換節制旌旗燈號存在連結作用，并且單D觸發器一樣采取了單備份的計劃，進步體系的可靠性。圖4中的3個反應旌旗燈號“M_A”、“M_B”跟“M_C”顛末檢測電路的邏輯組合發生3個旌旗燈號，離別為“M_F”、“MD_F”跟“D_F”，并反應回嵌入式控制器的內部中止端口。若是嵌入式控制器檢測到那3個反應旌旗燈號中的任何1個為“變亂旌旗燈號”，則依據“變亂”類型采用對應的步伐，最“壞”的環境是經由過程CAN總線關閉電動機伺服驅動器。切換電路利用光耦設備節制繼電器實現繞組的切換。嵌入式控制器應用CAN總線及時監控驅動控制器的運轉形態。當履行切換使命時，可以經由過程觸發器節制響應光耦設備的輸出，并依據嵌入式控制器內部中止的形態斷定舉措履行的成果。毛病檢測旌旗燈號的邏輯觸發關聯為：①MF=MAMBM_C；②MD_F=M_AM_BM_CD_F：③D_F=Q_N_AQ_N_B。
圖4單備份切換旌旗燈號連結與反應電路原理
冗余單備份伺服節制子系統的旌旗燈號關聯如圖5所示。依據可靠性級別的上下，可以取舍熱備份跟冷備份兩種履行方法。熱備份是指正在系統啟動時，同時對冗余的驅動控制器停止初始化，但它僅處于“預操縱”形式。當產生切換使命時，冗余驅動控制器立刻由“預操縱”形式進入事情形式。冷備份則須要正在切換前由嵌入式控制器對冗余驅動控制器停止初始化，再進入熱備份階段。雖然后者實時性較前者多了一個“啟動一初始化”周期，但功耗較小。冗余單備份伺服控制器如圖6所示。
圖5服侍驅動子系統邏輯圖
分揀機器人分析圖6冗余單備份伺服驅動器
綜上所述，球形機器人的冗余單備份伺服節制子系統是由兩個不異的備份模塊構成的，經由過程毛病檢測、毛病定位和體系規復實現容錯功用。因為體系規復采取重組技巧，是以體系的冗余布局可以依據毛病環境產生響應的變更。若運轉的模塊產生毛病，則可以經由過程重組備用模塊使全部體系恢復正常運轉。正在重組的進程中，7伺服節制子系統的運轉產生了臨時中止。
2.2軟件系統的容錯戰略
球形機器人控制系統的軟件次要采取了工夫容錯跟信息容錯的計劃方式。工夫容錯方式是以就義工夫去換取體系高可靠性的一種手腕。信息容錯是指為了檢測跟改正信息正在運算或傳輸進程中的毛病而外加了一部分冗余信息碼，使本來沒有相關的數據變成相關，并把這些冗余碼作為監視碼與有關的信息一路傳送，從而實現冗余容錯。
球形機器人控制系統的軟件采取兩種方法的工夫容錯計劃方式：一種是有限天降低體系的運轉速率以進步體系的可靠性；另一種是經由過程反復履行指令或許順序去檢測毛病。球形機器人體系正在運轉進程中，情況等因素的變更能夠導致系統呈現某些毛病。此時，正在保障設備基本功能的規模內，經由過程降低設備運轉速率，可以無效天消除某些毛病。例如降低嵌入式控制器查問指令周期可以無效天加重總線的負荷，制止因為總線擁塞而引發的毛病。情況探測器的某些指令反復履行必然的次數，可以對瞬時性毛病起到過濾的作用，保障原程序繼承向前履行。指令的反復履行雖然增長了體系的運轉工夫，但可以無效天消弭剎時毛病的影響。
球形機械進控制系統的通訊順序采取了信息容錯技巧，其檢錯跟糾錯碼離別為奇偶校驗碼、校驗跟和輪回冗余校驗碼。例如基于串行總線的通訊設備（慣性丈量安裝、激光測距儀跟無線傳感器等），正在數據鏈路層采取奇偶校驗碼，而正在使用和談層則采取校驗跟的方法。關于基于現場總線的通訊設備（嵌入式控制器、伺服控制器跟情況探測器），輪回冗余校驗則是一種無效的冗余校驗方式。
圖7球形機器人控制系統監控順序流程圖
本文除采取工夫容錯跟信息容錯的方式進步系統軟件的可靠性中，借為運動決議計劃子程序、運動節制子程序跟單備份切換子程序離別計劃了監控子程序用于監督這些順序的運轉形態。監控順序的根本流程如圖7所示，起首斷定軟件功用是不是畸形實現，然后經由過程毛病估量斷定軟件曾經履行的功用與計劃方針的誤差。若是存在較大誤差，經由過程影響*價來估量軟件將來的履行成果和主程序是不是可能實現計劃方針。若預期軟件的繼承運轉可以達到目標，則可以疏忽該毛病，主程序繼承運轉；反之，毛病不成疏忽。這時候須要挪用備份順序。若是備份順序依然不克不及畸形事情，則提醒軟件毛病。
綜上所述，球形機器人控制系統軟件容錯次要有以下特色。
容錯的工具是劃定功用的軟件，這些功用是依據使命需要界說的，包羅魯棒運動節制子程序、門路跟蹤節制予順序跟切換節制子程序等。容錯只是為了保障當編程缺陷導致系統呈現毛病時，可能保持這些功用。若是軟件的計劃是完全正確的，那么容錯部門將不起任何作用。
容錯的才能老是有必然限度的，那是因為軟件缺陷良多是不成預感的。關于球形機器人控制系統而言，輸入信息的組成也極為龐大。是以，即便是軟件容錯有時會生效，有時即便沒有完整生效，也只是保持其部門功用作降級運行。
當軟件因為自身存在缺陷而正在運轉中呈現毛病時，若其為容錯軟件，則可能屏障這一毛病，對其停止處置懲罰以制止生效。這一功用是經由過程毛病檢測、毛病規復和變更軟件冗余備份去實現的。這里所說的冗余備份，不是指球形機器人控制軟件的悉數功用，而是此中的各個功能塊、子程序或程序段。這些備份順序、檢測順序跟恢復程序一路統稱為容錯資源。一個容錯軟件實際是由劃定功用的通例軟件跟容錯軟件配合去實現的。通例軟件是主體，容錯軟件只是為了進步可靠性。
3球形機器人控制系統的實驗研討為了驗證計劃的球形機器人控制系統的可行性，本節停止實驗研討。正在實驗進程中，嵌入式控制系統節制球形機器人的框架連結垂直于空中的姿態，并繞中垂線勻速轉動，此時機器人像“陀螺”一樣正在原地扭轉。正在運動進程中每距離約50S，近程監控體系向嵌入式控制器收回電動機伺服節制子系統呈現毛病的信息，從而簡略天模擬實際中的環境以磨練冗余單備份伺服控制器的事情環境。實驗流程如圖8所示。
分揀機器人現狀圖8冗余單備份實驗流程圖
圖8中的魯棒運動控制策略，可能離別保障球形機器人的姿態跟遷移轉變速率收斂到期冀的鄰域內，并且存在必然的魯棒性。實驗進程中扭轉運動的伺服節制子系統的實驗成果以下表所示。正在全部實驗進程中，近程監控體系共收回了5次毛病信息。初始時辰球形機器人控制系統采取熱備份的方法取舍“主”份電動機伺服控制器停止畸形事情。當嵌入式控制器正在第一次吸收到“主”份電動機伺服系統毛病信息后，經由過程切換電路將輸出繞組切換到“備”份電動機伺服控制器上，同時啟動“備”份電動機伺服控制器，并采取指示燈顯現跟向近程監控體系發送信息的方法報警。切換使命實現后球形機器人依然停止畸形天扭轉運動。運動約50S后，近程控制系統起首消除“主”份伺服控制器的“毛病”形態，再向嵌入式控制器收回“備”份伺服控制器毛病信息。嵌入式控制器經由過程切換電路將輸出繞組從頭切換到曾經恢復正常的“主”份伺服控制器上，同時啟動“備”份電動機伺服控制器，并采取指示燈顯現跟向近程監控體系發送信息的方法報警。切換使命實現后球形機器人依然畸形天停止扭轉運動。
表電動機伺服控制系統容錯實驗數據
上述“毛病信息”模擬實驗反復停止了4次。當嵌入式控制器接收到“主”份跟“備”份伺服控制器均呈現毛病的信息后，終止切換使命，并將自身調劑到待機形態，同時采取指示燈顯現跟向近程監控體系發送信息的方法報警。正在切換進程中，機器人扭轉角速度的相應曲線如圖9所示。正在每次切換使命履行進程中，電動機的輸出遭到擾動，致使機器人扭轉角速度發生變化。當切換使命實現后，履行伺服節制使命的伺服控制系統調劑電動機的輸出使機器人扭轉角速度從頭不變到期望值四周。綜上所述，本文計劃的冗余單備份伺服控制系統勝利實現了冗余容錯節制，最大切換工夫為650IllS，且切換使命運轉畸形。但同時發明正在切換進程中，球形機器人的形態呈現了稍微天顫動。顛末實驗觀察跟剖析，發明球殼與空中打仗部門不敷潤滑，同時機器人外部機構的質量漫衍絕對于中垂線非對稱性較大，從而加強了對運動控制策略的滋擾。為了克制這類景象，除進步機器人的拆卸精度跟魯棒控制戰略的控制能力中，可以采取諸如猜測節制、前饋節制等作為過渡控制算法以進步體系切換的靜態特性。
圖9單備份切換實驗中扭轉角速度的相應曲線
論斷
針對球形機器人控制系統復雜性跟布局特殊性，提出了球形機器人控制系統的計劃方式，并將節制問題分化為s個部分控制器。這些部分控制器的鳩合組成了球形機器人的控制系統，并且部分子控制器相互之間存在通訊跟信息交互的才能，正在任務分配跟協作方面存在自主性。
基于提出的控制系統布局，研制了球形機器人的嵌入式控制系統，闡述了各個組成部分之間的彼此關聯。
為了進步球形機器人控制系統的可靠性，基于容錯控制技術研制了冗余單備份伺服節制子系統；基于工夫容錯、信息容錯跟監控軟件技術計劃了軟件系統。實驗結果表明基于容錯戰略計劃的球形機器人控制系統是無效的、可行的。
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