機器人robot水下機器人通用實時控制軟件研究與實現(xiàn)徐竟青12，黃俊峰12，李一平1（1.中國科學(xué)院沈陽自動化所，遼寧沈陽1100162.中國科學(xué)院研究生院）功能的基礎(chǔ)上提出了水下機器人通用實時控制軟件的三層體系結(jié)構(gòu)。并介紹了按照這一體系結(jié)構(gòu)開發(fā)出的一套水下機器人通用實時控制軟件。
基金項目：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所創(chuàng)新基金資助（cx-010601）。
評判通用實時控制軟件優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)在于是否可以在最低限度地改動和最大限度重用源代碼的基礎(chǔ)上，將這一系統(tǒng)移植到不同的水下機器人控制系統(tǒng)。
我們以正在開發(fā)的水下機器人通用試驗平臺作為研究對象，在抽象分解水下機器人的基本功能，歸納總結(jié)各種水下機器人控制軟件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了我們自己的通用水下機器人實時控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)，并按照此體系結(jié)構(gòu)成功地開發(fā)出了一套水下機器人通用實時控制軟件。
目前水下機器人從結(jié)構(gòu)上分為有纜水下機器人（rov），和無纜水下水下自制機器人（auv）。rov通過系纜由人參與水下機器人的控制。auv完全由機器人智能地或按照預(yù)置的工作流程作業(yè)。auv是目前水下機器人發(fā)展方向，其開發(fā)難度要遠高于rov.從功能上來看，水下機器人分為作業(yè)型和觀察型。作業(yè)型水下機器人目的在于完成水下作業(yè)，如打撈，管道鋪設(shè)等。觀察型水下機器人目的在于水底勘探，如水下考古，大壩檢測等。雖然完成的任務(wù)各異，但總的來講，這些任務(wù)都是由機器人運動功能，設(shè)備管理功能和其他輔助功能來實現(xiàn)的。運動功能實現(xiàn)水下機器人的運動，即六個自由度運動的實現(xiàn)。設(shè)備作業(yè)管理功能完成水下機器人設(shè)備的控制，如攝像機，照相機，水下機械手，傳感器等的控制。輔助功能完成水下機器人工作所需的其他一些功能，如故障處理，數(shù)據(jù)記錄，設(shè)備檢測等。
其各基本功能的相互配合可實現(xiàn)水下機器人的復(fù)雜作業(yè)。
我所已成功地開發(fā)出多種型號的水下機器人，其中的控制軟件各有特色，可供我們的方案有以下幾種。
水下主控程序根據(jù)水上監(jiān)控程序發(fā)出的指令，實現(xiàn)運動控制功能和設(shè)備管理功能。它通過串口向各設(shè)備發(fā)送指令。同時接收設(shè)備的反饋消息并通過串口發(fā)送給水面監(jiān)控程序。故障處理和設(shè)備檢測功能由操作者通過水上監(jiān)控程序完成。水下主控程序基于qnx實時操作系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)實時性要求，其軟件結(jié)構(gòu)簡單開發(fā)方便，很好地完成了對于這一型號的有纜水下機器人的控制。但是軟件只能局限于這一系統(tǒng)，通用性不好。
該程序是以實時多任務(wù)操作系統(tǒng)qnx為平臺，用watcomc開發(fā)而成。主管理進程顯示控制菜單并啟動各進程；傳感器接收進程通過并口接收外部傳感器輸入數(shù)據(jù)，存入公共數(shù)據(jù)區(qū)；運動控制進程負(fù)責(zé)運動功能的實現(xiàn)；使命處理進程根據(jù)使命文件處理用戶預(yù)定義的使命，使命以文本文件的形式保存；數(shù)據(jù)記錄進程記錄機器人工作過程中的數(shù)據(jù)；伺服控制進程負(fù)責(zé)向電機發(fā)送控制量。
該程序以進程為運行單位，各進程負(fù)責(zé)獨立的功能，做到了功能模塊化，同時利用qnx進程的內(nèi)存保護機制可以提高系統(tǒng)運行的安全性；其次公共數(shù)據(jù)區(qū)作為各進程的的通訊機制具有異步性和高效性。但是由于該系統(tǒng)將硬件控制和使命程序進程都包括到了控制軟件的內(nèi)部使得該軟件很難移植到其他系統(tǒng)中。限制了系統(tǒng)的通用性。
3）通用控制系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)美國newhampshire大學(xué)的海洋工程幾個模塊組成。
戶可在此配置，管理，啟動實時監(jiān)控層各進程。
配置表，來管理實時監(jiān)控層的進程配置。
進程優(yōu)先級/進程規(guī)劃方法/進程運行周期"進程開關(guān)標(biāo)志/進程描述/可否更改進程狀態(tài)標(biāo)志/進程創(chuàng)建與否標(biāo)志/備用/實時監(jiān)控層配置模塊根據(jù)該表來配置，啟動，設(shè)定和管理各進程。用戶可以通過菜單來修改該表，從而可動態(tài)地配置和管理實時監(jiān)控層，滿足自己的需求。以下是一個標(biāo)準(zhǔn)實時監(jiān)控層進程配置表。
進程描述入口函數(shù)名優(yōu)先級規(guī)劃方法運行周期狀態(tài)可變否可創(chuàng)建否信息交換自適應(yīng)調(diào)節(jié)器時間片輪轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)記錄時間片輪轉(zhuǎn)應(yīng)急時間片輪轉(zhuǎn)使命接口時間片輪轉(zhuǎn)通信時間片輪轉(zhuǎn)仿真時間片輪轉(zhuǎn)核無關(guān)，編制較其他操作系統(tǒng)簡單。qnx操作系統(tǒng)71994-2015chinaacademic信息交換進程通過消息通信的方式與設(shè)備管理層交換數(shù)據(jù)，是設(shè)備管理層和實時監(jiān)控層的接口，通過該進程可以對實時監(jiān)控層屏蔽具體的硬件設(shè)備，使實時監(jiān)控層做到設(shè)備無關(guān)性。該進程與設(shè)備管理層通信的工作流程見。
該層運行各設(shè)備的驅(qū)動程序。它負(fù)責(zé)對具體硬件設(shè)備的操作。對于不同的硬件設(shè)備只需編寫相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。這樣對于不同型號的水下機器人軟件系統(tǒng)來說，要更改的僅僅是這一部分。qnx下設(shè)備驅(qū)動程序只是一個單獨運行的進程，與系統(tǒng)內(nèi)提供了設(shè)備驅(qū)動程序的編制流程“資源管理器”我們針對水下機器人實時控制軟件的特點將這一流程加以修改，提出自己的驅(qū)動程序編寫流程見。
我們可以采用公共數(shù)據(jù)區(qū)和消息的方式與實時監(jiān)控層交換數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動程序的主體部分結(jié)構(gòu)如下。
/接收實時監(jiān)控層發(fā)送的消息/ /根據(jù)實時監(jiān)控層發(fā)送的消息對硬件端口讀寫/switch（message）器人工4作。水面監(jiān)控程哮實時顯示水下機器人工作lishing機器人（3）使命層使命層運行使命程序或水面監(jiān)控程序。使命程序可以自動地向?qū)崟r監(jiān)控層發(fā)送指令，控制水下機狀況，并提供操作者向水下機器人發(fā)送工作指令的監(jiān)控界面。該層與實時監(jiān)控層通過消息進行通信。
我們在總結(jié)水下機器人基本功能的基礎(chǔ)上，將與具體硬件設(shè)備緊密相關(guān)的設(shè)備管理功能的實現(xiàn)與整個控制系統(tǒng)劃分開，提出了自己的三層體系結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)實時控制軟件的通用性。按照這一思想，以正在研制的水下機器人試驗平臺作為對象，開發(fā)了一套水下機器人通用實時控制軟件。
要達到控制軟件的通用性，需要做到系統(tǒng)的設(shè)備無關(guān)性，可配置性，可重用性。使得通用實時控制系統(tǒng)向不同型號的系統(tǒng)移植時最小限度地修改源代碼。已開發(fā)的實時控制系統(tǒng)基本上達到了這一要求。在使命層，我們提供了使命程序和水面監(jiān)控程序兩種方式來滿足auv和r0v的工作方式的需要。實時監(jiān)控層可以通過主控進程動態(tài)地配置系統(tǒng)以適應(yīng)不同的工作情況。設(shè)備管理層主要完成硬件設(shè)備的獲取，對于添加到控制系統(tǒng)中的不同硬件，只要按我們提供的驅(qū)動程序編制流程，編制相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序加載設(shè)備到設(shè)備管理層即可。整個系統(tǒng)由每層中負(fù)責(zé)相應(yīng)功能的進程協(xié)調(diào)運行來完成整個系統(tǒng)的工作且進程間相互獨立，各層之間相互獨立。
對于水下機器人試驗平臺，由于試驗性質(zhì)，需要加載更換不同的設(shè)備，實現(xiàn)不同的功能。通過配置實時監(jiān)控層和在設(shè)備管理層加載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序可以很方便地調(diào)整實時控制程序來滿足試驗要求。
我們正在嘗試將這一通用實時控制系統(tǒng)軟件向其他水下機器人推廣。相信它能夠為我國水下機器人產(chǎn)業(yè)化作出一些推動作用。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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