21、废墟搜索救援机器人控制系统与控制站系统解析

废墟搜索救援机器人控制系统与控制站系统解析

1. 分层分布式模块化控制系统结构设计

为满足相关需求，设计了基于分层系统和分步控制的模块化控制系统结构，该系统分为三层：
- 监控层 ：实现人机交互，有友好界面供操作员操作机器人，并向操作员反馈机器人状态。它由监控平台和无线通信模块组成。监控平台发送操作命令、显示和存储机器人状态信息；无线通信模块实现监控层与规划层的通信。
- 规划层 ：进行控制策略规划，连接监控层和执行层，处于整个控制系统的中心，起调度中心的作用。该层根据操作员命令、机器人状态信息、环境信息和特定任务对机器人的运动进行全局规划，由规划模块和无线通信模块组成。
- 执行层 ：实现运动控制以及传感器信号的采集和预处理。由多个执行模块和多个传感模块组成，功能模块数量最多。执行模块用于控制各个关节电机的运动，将控制周期缩短至 100ms 以内；传感模块用于收集传感器信息，并进行软件滤波和识别等预处理。

以下是分层分布式模块化控制系统结构的表格说明：
| 层次 | 组成模块 | 主要功能 |
| ---- | ---- | ---- |
| 监控层 | 监控平台、无线通信模块 | 人机交互，发送操作命令，显示和存储机器人状态信息，实现与规划层通信 |
| 规划层 | 规划模块、无线通信模块 | 控制策略规划，根据多种信息进行机器人运动全局规划 |
| 执行层 | 执行模块、传感模块 | 运动控制，传感器信号采集和预处理 |

2. 废墟搜索救援机器人控制站系统特点

废墟搜索救援机器人系统是典型的“人 - 机 - 环境”系统，控制站是核心控制机制和实现人机交互的唯一平台。其系统特点如下：
- 基本监控功能
- 实时显示机器人状态、环境和位置以及控制命令执行状态。机器人状态可用数据和仪表盘表示，环境和位置通过视频和音频反馈，控制命令执行状态用文字描述。
- 实时控制机器人改变运动状态，包括速度、方向和参数设置。控制命令可通过软键、按钮和操纵杆输入，参数可手动修改。
- 特殊应用场景要求
- 环境适应性 ：系统应实现复合功能，尽量减轻重量、体积和功耗，适应环境并应对突发外部干扰。
- 安全性 ：为通信延迟、机械故障、非结构动态环境和误操作等安全隐患提供解决方案。
- 信息融合 ：考虑物理障碍、信号衰减等干扰因素，整合视觉和非视觉信息，提供更多视角观察机器人位置信息。
- 人性化设计 ：具有局部自主能力，减轻操作员工作强度，设计应友好、人性化。
- 协同性 ：能充分发挥各平台的特点和优势，辅助信息在系统整体范围内的交互和共享，为各级救援单位的判断和决策提供实时准确的信息和行动支持。
- 特定功能要求
- 提供多级可选控制模式，满足变形机器人众多控制命令的需求。
- 提供机器人自主转向、越障和紧急停止功能的调用接口，实现操作与监督相结合的协同工作模式。
- 通过环境感知、辅助操作、信息反馈等交互方式操纵机器人完成搜索救援任务，实现人类感知和行动能力的延伸。

控制站系统设计还应遵循以下原则：
| 原则 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 环境适应性 | 应对外部不稳定和不确定性，具有广泛的环境适应能力 |
| 安全稳定性 | 考虑周围人员、环境和机器人自身的安全，提供及时报警和应急处理 |
| 智能专业性 | 协同结合人类的灵活性和机器人的准确性，具有辅助控制规划能力 |
| 多通道信息融合 | 融合多通道信息资源，提高交互信息的准确性和系统的容错性 |
| 友好人性化 | 降低操作员的技术培训要求，符合人类日常生活习惯 |

3. 废墟搜索救援机器人控制站系统结构

随着技术水平的不断发展，机器人控制架构的研究逐渐从单一硬件、独立专业控制器和个体控制向软硬件集成、通用开放和多级协调控制转变。机器人控制站系统架构研究的目标是设计具有开放和模块化架构的通用机器人控制站结构。
- 硬件方面 ：使用开放的通用计算机平台，利用其成熟的软硬件资源作为主控制器功能扩展的技术支持。
- 软件方面 ：使用标准操作系统，结合高度可移植的语言编写应用程序。

机器人控制系统架构通常有基于硬件层次和基于功能划分的两种基本结构，以及三种类型的架构：
- 审慎式架构 ：基于已知逻辑知识或搜索方法，为期望目标生成行动指令，适用于结构化环境。
- 基于行为的架构 ：将系统分解为具有各自控制机制的基本行为，通过相应仲裁机制的组合适应和响应外部环境变化。
- 混合架构 ：结合审慎式和基于行为的架构集成机制，使用主执行器作为序列器，通过规划层获取行动、做出决策并执行任务，通常包括序列器、资源管理器、映射器、任务规划器和性能监督求解器五个基本组件。

以下是三种架构类型的对比表格：
| 架构类型 | 特点 | 适用场景 |
| ---- | ---- | ---- |
| 审慎式架构 | 基于逻辑知识推理生成行动指令，知识表示明确，推理能力强 | 结构化环境 |
| 基于行为的架构 | 分解系统为基本行为，通过组合适应外部环境变化 | 可减轻或避免环境模型设计工作 |
| 混合架构 | 结合审慎式和基于行为的架构机制 | 综合多种需求的场景 |

根据分析的机器人控制要求和搜索救援操作要求，结合提出的五项设计原则，采用融合审慎式和基于行为的架构的混合架构建立控制站系统架构，下面从四个方面进行分析：
- 架构层次划分
- 执行与反馈层 ：机器人系统直接与外部环境交互的最低层，通过传感反馈信息处理模块和环境信息及机器人状态传感模块实现数据收集和信息处理，通过机器人电机驱动控制模块执行上层控制命令。
- 控制与规划层 ：位于顶层监督协调层和底层执行与反馈层之间的中间层，负责两层之间的交互。根据监督协调层选择的操作或监督模式执行任务决策，任务执行模块对各功能模块进行调度和规划。同时，将从执行反馈层获得的环境和机器人状态信息传输到任务执行模块，作为实时确定任务执行状态和进行控制规划决策的依据。虚拟环境构建模块融合状态信息，构建机器人在局部环境中的 3D 虚拟环境，并将环境和机器人感知信息传输到上层监督协调层。
- 监督与协调层 ：架构中智能程度最高的层，由控制/监督模块和事务决策模块组成。操作员通过该层对机器人的救灾行动进行监督、控制和做出控制决策，提高了机器人系统的整体智能。

以下是架构层次划分的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(监督与协调层):::process --> B(控制与规划层):::process
    B --> C(执行与反馈层):::process
    C --> B
    B --> A

废墟搜索救援机器人控制系统与控制站系统解析

4. 架构的控制循环

架构中描绘了四个并行的控制循环，以虚线表示在架构的底层和中间层，反映了变形机器人的自主智能：
- 刺激 - 响应循环 ：在机器人状态突然变化时实现紧急停止。
- 环境适应循环 ：在机器人导航过程中实现碰撞检测和自主避障。
- 路径规划循环 ：负责机器人的环境识别和路径跟踪。
- 任务执行循环 ：根据监督规划层的决策调度智能算法知识库实现局部自主行为。

同时，操作员可以通过控制站系统干预和控制环境适应循环、路径规划循环和任务执行循环这三个控制循环，还能直接控制电机驱动控制模块实现基本的底层控制或调试功能，如转向，体现了控制站系统的环境适应性和智能专业性。

以下是控制循环的表格说明：
| 控制循环 | 功能 |
| ---- | ---- |
| 刺激 - 响应循环 | 机器人状态突变时紧急停止 |
| 环境适应循环 | 导航时碰撞检测与自主避障 |
| 路径规划循环 | 环境识别与路径跟踪 |
| 任务执行循环 | 基于知识库实现局部自主行为 |

5. 架构的功能模块

为更清晰地描述功能模块和信息交互过程，简化后的控制站系统架构图聚焦于各模块的功能和信息交互，呈现出一个由机器人和控制站系统组成的集成人机 - 环境机器人结构。
- 机器人系统
- 主控制子系统 ：分析控制命令和状态信息，规划机器人的运动配置和步态，是机器人的决策系统。
- 执行子系统 ：执行机器人的运动规划，改变运动配置和步态。
- 传感子系统 ：通过多个传感器检测和感知周围环境，实现多通道传感信息的共存。
- 控制站系统
- 主控制子系统 ：作为控制站系统的核心部分，负责信息的整合和规划决策，操纵机器人执行规划部署。控制站的主控制模块对交互信息进行提取、解码、分析、优化、协调和存储，并为操作员和机器人之间的闭环交互提供人机界面。
- 操作子系统 ：结合人机界面模块和命令操作模块，提供多种基于多交互资源的控制命令输入模式。操作员可结合具体救援任务和现场灾害情况切换控制或监督工作模式。
- 传感子系统 ：通过数据、视频和音频等多信息通道融合虚拟和真实环境，为操作员的控制决策提供依据，具有环境感知和状态感知功能。环境感知提供听觉和视觉通道获取外部环境信息；状态感知包括机器人配置步态和任务执行状态感知。
- 通信子系统 ：作为控制站和机器人之间信息交互的桥梁，实现操作员向机器人控制系统准确发布控制规划指令，并实时获取机器人的反馈位置、状态和救援环境信息，确保控制站系统对机器人状态的实时监控和远程控制。

以下是功能模块的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(机器人系统):::process --> B(主控制子系统):::process
    A --> C(执行子系统):::process
    A --> D(传感子系统):::process
    E(控制站系统):::process --> F(主控制子系统):::process
    E --> G(操作子系统):::process
    E --> H(传感子系统):::process
    E --> I(通信子系统):::process
    B <--> F
    D <--> H
    I <--> B
    I <--> D

6. 架构的数据流程

虽然原文未详细提及架构的数据流程，但结合前面的内容可以推测，数据在各层和各模块之间有序流动。在执行与反馈层，传感器收集的数据经过处理后上传到控制与规划层；控制与规划层对数据进行分析和决策，生成控制指令下发到执行与反馈层；同时，控制与规划层将相关信息上传到监督与协调层，供操作员进行监督和决策。通信子系统则负责在控制站和机器人之间传递数据，确保信息的实时性和准确性。

综上所述，废墟搜索救援机器人的控制系统和控制站系统通过合理的分层设计、多种架构的融合以及完善的功能模块和数据流程，实现了高效、智能、安全的搜索救援任务执行，为应对复杂危险的废墟环境提供了有力的支持。