自HALMEA即是1996年初次研制出球形機(jī)器人以來(lái)，控制系統(tǒng)始終被視為球形機(jī)器人研討范疇的關(guān)鍵問(wèn)題。球形機(jī)器人布局的特殊性跟節(jié)制方式的復(fù)雜性使現(xiàn)階段的研討內(nèi)容次要集合正在動(dòng)力學(xué)剖析與建模跟運(yùn)動(dòng)節(jié)制與計(jì)劃戰(zhàn)略的計(jì)劃等方面，而對(duì)于若何計(jì)劃靠得住的、平安的控制系統(tǒng)以降低體系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的故障率的研討卻少有波及。
容錯(cuò)控制系統(tǒng)可能無(wú)效天進(jìn)步體系的可靠性跟安全性。趙京等經(jīng)由過(guò)程機(jī)關(guān)退化前提數(shù)跟容錯(cuò)空間影響因子等性能指標(biāo)去肯定使冗余度機(jī)器人存在最好容錯(cuò)操縱機(jī)能的計(jì)劃參數(shù)。王太勇等將冗余容錯(cuò)節(jié)制實(shí)際使用于壁面匍匐機(jī)器人體系中，將均勻無(wú)故障事情工夫延伸1倍。而正在及時(shí)嵌入式體系中，基于工夫容錯(cuò)技巧計(jì)劃的容錯(cuò)戰(zhàn)略對(duì)霎時(shí)毛病存在優(yōu)越的容錯(cuò)性能，并且占用較少的工夫跟存儲(chǔ)資源。FORSATI等綜合思量信息容錯(cuò)跟工夫容錯(cuò)技巧，并使用到電路系統(tǒng)的計(jì)劃中，從而無(wú)效天降低了電路系統(tǒng)的復(fù)雜度，并正在允許的時(shí)延內(nèi)較大天節(jié)儉了硬件資源。
是以，本文以圖l所示的球形機(jī)器人為平臺(tái)，基于容錯(cuò)戰(zhàn)略計(jì)劃球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)。圖1所示的球形機(jī)器人由球殼、框架跟重?cái)[構(gòu)成，依賴兩組軸向垂直裝置的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變重?cái)[的勢(shì)能去驅(qū)動(dòng)球殼的運(yùn)動(dòng)。該布局存在應(yīng)用起碼的節(jié)制輸入到達(dá)全方位行走的特色。文獻(xiàn)離別針對(duì)此球形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模、魯棒運(yùn)動(dòng)節(jié)制跟門(mén)路跟蹤戰(zhàn)略停止了研討。本文的研討內(nèi)容同時(shí)也是這些研討事情的持續(xù)，是實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)節(jié)制的根底。本文起首提出了球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，并正在此基礎(chǔ)上計(jì)劃復(fù)合型控制系統(tǒng)。然后基于分歧的容錯(cuò)技巧離別計(jì)劃了存在高可靠性的冗余單備份電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)跟軟件系統(tǒng)。最初經(jīng)由過(guò)程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性和容錯(cuò)戰(zhàn)略的有效性，并對(duì)成果停止具體分析跟探討。
圖1球形機(jī)器人
并聯(lián)分揀機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)智能物流分揀機(jī)器人是什么1球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)劃與剖析迄今為止，自立機(jī)器人的節(jié)制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)、基于行動(dòng)節(jié)制的反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)跟基于計(jì)劃跟反映的混合式控制結(jié)構(gòu)。分層遞階式體系結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)條理清晰，較好地解決了體系機(jī)能跟控制精度的問(wèn)題，但須要對(duì)外界情況停止周全的感知跟正確的建模。反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)中體系的各個(gè)條理均存在自力的情況感知才能，對(duì)情況存在優(yōu)越的魯棒性跟適應(yīng)性，但短少全局性的指點(diǎn)與調(diào)和。混合式控制結(jié)構(gòu)將情況感知、決策控制跟上層推理等功能模塊無(wú)機(jī)天聯(lián)合起來(lái)，既保存了分層布局的系統(tǒng)性，又繼續(xù)了反應(yīng)式布局的靈活性。是以，本文采取基于計(jì)劃跟反映的混合式控制結(jié)構(gòu)計(jì)劃方式計(jì)劃球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，將信息處理模塊與電動(dòng)機(jī)節(jié)制聯(lián)合起來(lái)，上層采取無(wú)意識(shí)計(jì)劃，底層采取基于行動(dòng)的電動(dòng)機(jī)節(jié)制，組成一個(gè)遞階式的控制結(jié)構(gòu)。
1.1球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式
球形機(jī)器人控制系統(tǒng)可以稱為“復(fù)合型控制系統(tǒng)”，是由控制算法跟部分控制部件構(gòu)成的。每一個(gè)控制算法稱為根本控制器，相互之間存在高低等級(jí)跟彼此耦合的關(guān)聯(lián)。部門(mén)可能實(shí)現(xiàn)特定使命的根本控制器組成了部分復(fù)合型控制器，而球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)恰是由這些部分復(fù)合型控制器組成的。部分復(fù)合型控制器相互之間存在著部分的耦合關(guān)聯(lián)，存在彼此通訊跟信息交互的才能，正在任務(wù)分配跟協(xié)作方面存在自主性。為球形機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)使命計(jì)劃的8個(gè)部分復(fù)合型控制器的詳細(xì)含意跟功用以下。
移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)控單位（Mobilerobotsupervisionunit，MRSU）是全部控制系統(tǒng)中第一流部分控制器，擁有第一流優(yōu)先權(quán)，擔(dān)任機(jī)器人傳感器的信息檢測(cè)、部分控制器的形態(tài)調(diào)和、近程節(jié)制下令的吸收跟機(jī)器人形態(tài)信息的反應(yīng)等。
電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單位（Motorsupervisionunit，MSU）是電動(dòng)機(jī)伺服節(jié)制子系統(tǒng)中的監(jiān)視級(jí)部分控制器，可能依據(jù)詳細(xì)運(yùn)動(dòng)使命間接羈系上級(jí)部分控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)。
電動(dòng)機(jī)節(jié)制單位（Momrcontrolunit，MCU）擔(dān)任電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)節(jié)制，并吸收電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單位的羈系跟調(diào)理。
電源監(jiān)控單位（Powersupervisionunit，PSU）是電源子系統(tǒng)的監(jiān)視級(jí)部分控制器，擔(dān)任羈系電源的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。
運(yùn)動(dòng)決議計(jì)劃單位（Vehicledecisionunit，VDU）可能依據(jù)使命、情況信息跟導(dǎo)航單位的信息做出無(wú)效的決議計(jì)劃，并經(jīng)由過(guò)程運(yùn)動(dòng)節(jié)制單位節(jié)制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)航系統(tǒng)單位（Navigationsystemunit，NSU）擔(dān)任兩個(gè)激光測(cè)距儀跟視覺(jué)傳感器的旌旗燈號(hào)檢測(cè)、融會(huì)和設(shè)備形態(tài)監(jiān)控等使命。
運(yùn)動(dòng)節(jié)制單位（Vehiclecontrolunit，VCU）履行球形機(jī)器人速率跟姿態(tài)的伺服節(jié)制。
位姿觀察單位（Positionattitudeestimationunit，PAEU）實(shí)現(xiàn)光電編碼器與慣性丈量安裝的信息融會(huì)，并對(duì)球形機(jī)器人的位姿信息停止估量。
機(jī)器人監(jiān)控單位、電源監(jiān)控單位、運(yùn)動(dòng)節(jié)制單位跟位姿觀察單位離別對(duì)應(yīng)一個(gè)及時(shí)使命，正在基于高性能耐SC處理器（AdvancedRISCMachines，ARM）計(jì)劃的電路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。該電路系統(tǒng)可以稱為嵌入式控制器。運(yùn)動(dòng)決議計(jì)劃單位跟導(dǎo)航系統(tǒng)單位離別對(duì)應(yīng)一個(gè)及時(shí)使命，一樣正在基于ARM計(jì)劃的電路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。該電路系統(tǒng)可以稱為情況探測(cè)器。電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單位跟電動(dòng)機(jī)節(jié)制單位離別對(duì)應(yīng)一個(gè)及時(shí)使命，正在基于數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalsignalprocessorDSP）計(jì)劃的電動(dòng)機(jī)伺服控制器內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。球形機(jī)器人控制系統(tǒng)邏輯布局如圖2所示。
圖2球形機(jī)器人控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖
1.2球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的布局剖析
依據(jù)圖2提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式研制的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的次要組成部分有：伺服節(jié)制子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、導(dǎo)航與傳感子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、嵌入式節(jié)制子系統(tǒng)跟近程控制系統(tǒng)等。此中伺服驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、減速器跟電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成；導(dǎo)航跟傳感子系統(tǒng)由慣性丈量安裝、激光測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器跟光電編碼器構(gòu)成：通訊子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)總線、串行總線跟無(wú)線發(fā)送／吸收模塊構(gòu)成：嵌入式節(jié)制子系統(tǒng)由嵌入式控制器跟情況探測(cè)器構(gòu)成；近程監(jiān)控體系可能經(jīng)由過(guò)程無(wú)線通信模塊及時(shí)查問(wèn)球形機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)的事情形態(tài)，設(shè)置球形機(jī)器人的事情形式。并且，每一個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)體正在詳細(xì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，并不是彼此自力的。球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。嵌入式控制器經(jīng)由過(guò)程控制器局域網(wǎng)（Controllerareanetwork，CAN）總線離別吸收來(lái)自情況探測(cè)器的對(duì)于激光測(cè)距儀的信息跟來(lái)自伺服驅(qū)動(dòng)器的光電編碼器的信息，同時(shí)經(jīng)由過(guò)程RS232總線離別吸收來(lái)自慣性丈量安裝跟視覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)信息和近程節(jié)制信息，并對(duì)一切的信息數(shù)據(jù)停止剖析跟融會(huì)，依據(jù)使命跟情況做出響應(yīng)的決議計(jì)劃，再經(jīng)由過(guò)程CAN總線發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而節(jié)制電動(dòng)機(jī)的舉措。嵌入式控制器應(yīng)用CAN總線跟RS232總線及時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)傳感器跟伺服驅(qū)動(dòng)器的形態(tài)，同時(shí)經(jīng)由過(guò)程無(wú)線模塊將體系的運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)反應(yīng)給近程監(jiān)控體系。
圖3球形機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成方框圖
2球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的容錯(cuò)戰(zhàn)略球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，硬件跟軟件的范圍比力年夜，是以體系呈現(xiàn)毛病的概率也較大。為了降低因?yàn)檐浻布?wèn)題反復(fù)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)毛病的概率，必需盡力追求進(jìn)步控制系統(tǒng)可靠性的方式。除挑選更靠得住的元器件跟設(shè)備，努力提高工程技術(shù)中，本節(jié)基于容錯(cuò)戰(zhàn)略研討球形機(jī)器人伺服節(jié)制子系統(tǒng)跟軟件系統(tǒng)的計(jì)劃方式。
2.1冗余單備份伺服節(jié)制子系統(tǒng)的計(jì)劃
本文提出了一種冗余單備份的電動(dòng)機(jī)伺服節(jié)制子系統(tǒng)。兩個(gè)電動(dòng)機(jī)均為無(wú)刷直流電念頭，并拆卸了行星減速器跟光電編碼器和驅(qū)動(dòng)控制器。伺服節(jié)制子系統(tǒng)采取兩套不異的驅(qū)動(dòng)控制器正在仲裁經(jīng)管下配合節(jié)制一個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)形式。若是嵌入式控制器檢測(cè)到某個(gè)驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)毛病，可以應(yīng)用切換電路將電動(dòng)機(jī)的繞組切換到備份驅(qū)動(dòng)器的繞組接口上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的接連節(jié)制。如圖4所示，嵌入式控制器收回的旌旗燈號(hào)“Set”跟“Clk”顛末雙路D觸發(fā)器發(fā)生等效的“與”邏輯切換節(jié)制旌旗燈號(hào)“SW”。D觸發(fā)器不只對(duì)切換節(jié)制旌旗燈號(hào)存在連結(jié)作用，并且單D觸發(fā)器一樣采取了單備份的計(jì)劃，進(jìn)步體系的可靠性。圖4中的3個(gè)反應(yīng)旌旗燈號(hào)“M_A”、“M_B”跟“M_C”顛末檢測(cè)電路的邏輯組合發(fā)生3個(gè)旌旗燈號(hào)，離別為“M_F”、“MD_F”跟“D_F”，并反應(yīng)回嵌入式控制器的內(nèi)部中止端口。若是嵌入式控制器檢測(cè)到那3個(gè)反應(yīng)旌旗燈號(hào)中的任何1個(gè)為“變亂旌旗燈號(hào)”，則依據(jù)“變亂”類型采用對(duì)應(yīng)的步伐，最“壞”的環(huán)境是經(jīng)由過(guò)程CAN總線關(guān)閉電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器。切換電路利用光耦設(shè)備節(jié)制繼電器實(shí)現(xiàn)繞組的切換。嵌入式控制器應(yīng)用CAN總線及時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)。當(dāng)履行切換使命時(shí)，可以經(jīng)由過(guò)程觸發(fā)器節(jié)制響應(yīng)光耦設(shè)備的輸出，并依據(jù)嵌入式控制器內(nèi)部中止的形態(tài)斷定舉措履行的成果。毛病檢測(cè)旌旗燈號(hào)的邏輯觸發(fā)關(guān)聯(lián)為：①M(fèi)F=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(hào)連結(jié)與反應(yīng)電路原理
冗余單備份伺服節(jié)制子系統(tǒng)的旌旗燈號(hào)關(guān)聯(lián)如圖5所示。依據(jù)可靠性級(jí)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(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)對(duì)冗余的驅(qū)動(dòng)控制器停止初始化，但它僅處于“預(yù)操縱”形式。當(dāng)產(chǎn)生切換使命時(shí)，冗余驅(qū)動(dòng)控制器立刻由“預(yù)操縱”形式進(jìn)入事情形式。冷備份則須要正在切換前由嵌入式控制器對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)控制器停止初始化，再進(jìn)入熱備份階段。雖然后者實(shí)時(shí)性較前者多了一個(gè)“啟動(dòng)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(qū)動(dòng)子系統(tǒng)邏輯圖
圖6冗余單備份伺服驅(qū)動(dòng)器
綜上所述，球形機(jī)器人的冗余單備份伺服節(jié)制子系統(tǒng)是由兩個(gè)不異的備份模塊構(gòu)成的，經(jīng)由過(guò)程毛病檢測(cè)、毛病定位和體系規(guī)復(fù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功用。因?yàn)轶w系規(guī)復(fù)采取重組技巧，是以體系的冗余布局可以依據(jù)毛病環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)的變更。若運(yùn)轉(zhuǎn)的模塊產(chǎn)生毛病，則可以經(jīng)由過(guò)程重組備用模塊使全部體系恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。正在重組的進(jìn)程中，7伺服節(jié)制子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生了臨時(shí)中止。
2.2軟件系統(tǒng)的容錯(cuò)戰(zhàn)略
球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件次要采取了工夫容錯(cuò)跟信息容錯(cuò)的計(jì)劃方式。工夫容錯(cuò)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(cuò)是指為了檢測(cè)跟改正信息正在運(yùn)算或傳輸進(jìn)程中的毛病而外加了一部分冗余信息碼，使本來(lái)沒(méi)有相關(guān)的數(shù)據(jù)變成相關(guān)，并把這些冗余碼作為監(jiān)視碼與有關(guān)的信息一路傳送，從而實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)。
球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件采取兩種方法的工夫容錯(cuò)計(jì)劃方式：一種是有限天降低體系的運(yùn)轉(zhuǎn)速率以進(jìn)步體系的可靠性；另一種是經(jīng)由過(guò)程反復(fù)履行指令或許順序去檢測(cè)毛病。球形機(jī)器人體系正在運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中，情況等因素的變更能夠?qū)е孪到y(tǒng)呈現(xiàn)某些毛病。此時(shí)，正在保障設(shè)備基本功能的規(guī)模內(nèi)，經(jīng)由過(guò)程降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速率，可以無(wú)效天消除某些毛病。例如降低嵌入式控制器查問(wèn)指令周期可以無(wú)效天加重總線的負(fù)荷，制止因?yàn)榭偩€擁塞而引發(fā)的毛病。情況探測(cè)器的某些指令反復(fù)履行必然的次數(shù)，可以對(duì)瞬時(shí)性毛病起到過(guò)濾的作用，保障原程序繼承向前履行。指令的反復(fù)履行雖然增長(zhǎng)了體系的運(yùn)轉(zhuǎn)工夫，但可以無(wú)效天消弭剎時(shí)毛病的影響。
球形機(jī)械進(jìn)控制系統(tǒng)的通訊順序采取了信息容錯(cuò)技巧，其檢錯(cuò)跟糾錯(cuò)碼離別為奇偶校驗(yàn)碼、校驗(yàn)跟和輪回冗余校驗(yàn)碼。例如基于串行總線的通訊設(shè)備（慣性丈量安裝、激光測(cè)距儀跟無(wú)線傳感器等），正在數(shù)據(jù)鏈路層采取奇偶校驗(yàn)碼，而正在使用和談層則采取校驗(yàn)跟的方法。關(guān)于基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊設(shè)備（嵌入式控制器、伺服控制器跟情況探測(cè)器），輪回冗余校驗(yàn)則是一種無(wú)效的冗余校驗(yàn)方式。
圖7球形機(jī)器人控制系統(tǒng)監(jiān)控順序流程圖
本文除采取工夫容錯(cuò)跟信息容錯(cuò)的方式進(jìn)步系統(tǒng)軟件的可靠性中，借為運(yùn)動(dòng)決議計(jì)劃子程序、運(yùn)動(dòng)節(jié)制子程序跟單備份切換子程序離別計(jì)劃了監(jiān)控子程序用于監(jiān)督這些順序的運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)。監(jiān)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(shí)現(xiàn)，然后經(jīng)由過(guò)程毛病估量斷定軟件曾經(jīng)履行的功用與計(jì)劃方針的誤差。若是存在較大誤差，經(jīng)由過(guò)程影響*價(jià)來(lái)估量軟件將來(lái)的履行成果和主程序是不是可能實(shí)現(xiàn)計(jì)劃方針。若預(yù)期軟件的繼承運(yùn)轉(zhuǎn)可以達(dá)到目標(biāo)，則可以疏忽該毛病，主程序繼承運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，毛病不成疏忽。這時(shí)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(jī)器人控制系統(tǒng)軟件容錯(cuò)次要有以下特色。
容錯(cuò)的工具是劃定功用的軟件，這些功用是依據(jù)使命需要界說(shuō)的，包羅魯棒運(yùn)動(dòng)節(jié)制子程序、門(mén)路跟蹤節(jié)制予順序跟切換節(jié)制子程序等。容錯(cuò)只是為了保障當(dāng)編程缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)毛病時(shí)，可能保持這些功用。若是軟件的計(jì)劃是完全正確的，那么容錯(cuò)部門(mén)將不起任何作用。
容錯(cuò)的才能老是有必然限度的，那是因?yàn)檐浖毕萘级嗍遣怀深A(yù)感的。關(guān)于球形機(jī)器人控制系統(tǒng)而言，輸入信息的組成也極為龐大。是以，即便是軟件容錯(cuò)有時(shí)會(huì)生效，有時(shí)即便沒(méi)有完整生效，也只是保持其部門(mén)功用作降級(jí)運(yùn)行。
當(dāng)軟件因?yàn)樽陨泶嬖谌毕荻谶\(yùn)轉(zhuǎn)中呈現(xiàn)毛病時(shí)，若其為容錯(cuò)軟件，則可能屏障這一毛病，對(duì)其停止處置懲罰以制止生效。這一功用是經(jīng)由過(guò)程毛病檢測(cè)、毛病規(guī)復(fù)和變更軟件冗余備份去實(shí)現(xiàn)的。這里所說(shuō)的冗余備份，不是指球形機(jī)器人控制軟件的悉數(shù)功用，而是此中的各個(gè)功能塊、子程序或程序段。這些備份順序、檢測(cè)順序跟恢復(fù)程序一路統(tǒng)稱為容錯(cuò)資源。一個(gè)容錯(cuò)軟件實(shí)際是由劃定功用的通例軟件跟容錯(cuò)軟件配合去實(shí)現(xiàn)的。通例軟件是主體，容錯(cuò)軟件只是為了進(jìn)步可靠性。
3球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研討為了驗(yàn)證計(jì)劃的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性，本節(jié)停止實(shí)驗(yàn)研討。正在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，嵌入式控制系統(tǒng)節(jié)制球形機(jī)器人的框架連結(jié)垂直于空中的姿態(tài)，并繞中垂線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)器人像“陀螺”一樣正在原地扭轉(zhuǎn)。正在運(yùn)動(dòng)進(jìn)程中每距離約50S，近程監(jiān)控體系向嵌入式控制器收回電動(dòng)機(jī)伺服節(jié)制子系統(tǒng)呈現(xiàn)毛病的信息，從而簡(jiǎn)略天模擬實(shí)際中的環(huán)境以磨練冗余單備份伺服控制器的事情環(huán)境。實(shí)驗(yàn)流程如圖8所示。
圖8冗余單備份實(shí)驗(yàn)流程圖
圖8中的魯棒運(yùn)動(dòng)控制策略，可能離別保障球形機(jī)器人的姿態(tài)跟遷移轉(zhuǎn)變速率收斂到期冀的鄰域內(nèi)，并且存在必然的魯棒性。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服節(jié)制子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成果以下表所示。正在全部實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，近程監(jiān)控體系共收回了5次毛病信息。初始時(shí)辰球形機(jī)器人控制系統(tǒng)采取熱備份的方法取舍“主”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器停止畸形事情。當(dāng)嵌入式控制器正在第一次吸收到“主”份電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)毛病信息后，經(jīng)由過(guò)程切換電路將輸出繞組切換到“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器上，同時(shí)啟動(dòng)“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器，并采取指示燈顯現(xiàn)跟向近程監(jiān)控體系發(fā)送信息的方法報(bào)警。切換使命實(shí)現(xiàn)后球形機(jī)器人依然停止畸形天扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)約50S后，近程控制系統(tǒng)起首消除“主”份伺服控制器的“毛病”形態(tài)，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(jīng)由過(guò)程切換電路將輸出繞組從頭切換到曾經(jīng)恢復(fù)正常的“主”份伺服控制器上，同時(shí)啟動(dòng)“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器，并采取指示燈顯現(xiàn)跟向近程監(jiān)控體系發(fā)送信息的方法報(bào)警。切換使命實(shí)現(xiàn)后球形機(jī)器人依然畸形天停止扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
表電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
快遞分揀機(jī)器人系統(tǒng)框圖上述“毛病信息”模擬實(shí)驗(yàn)反復(fù)停止了4次。當(dāng)嵌入式控制器接收到“主”份跟“備”份伺服控制器均呈現(xiàn)毛病的信息后，終止切換使命，并將自身調(diào)劑到待機(jī)形態(tài)，同時(shí)采取指示燈顯現(xiàn)跟向近程監(jiān)控體系發(fā)送信息的方法報(bào)警。正在切換進(jìn)程中，機(jī)器人扭轉(zhuǎn)角速度的相應(yīng)曲線如圖9所示。正在每次切換使命履行進(jìn)程中，電動(dòng)機(jī)的輸出遭到擾動(dòng)，致使機(jī)器人扭轉(zhuǎn)角速度發(fā)生變化。當(dāng)切換使命實(shí)現(xiàn)后，履行伺服節(jié)制使命的伺服控制系統(tǒng)調(diào)劑電動(dòng)機(jī)的輸出使機(jī)器人扭轉(zhuǎn)角速度從頭不變到期望值四周。綜上所述，本文計(jì)劃的冗余單備份伺服控制系統(tǒng)勝利實(shí)現(xiàn)了冗余容錯(cuò)節(jié)制，最大切換工夫?yàn)?50IllS，且切換使命運(yùn)轉(zhuǎn)畸形。但同時(shí)發(fā)明正在切換進(jìn)程中，球形機(jī)器人的形態(tài)呈現(xiàn)了稍微天顫動(dòng)。顛末實(shí)驗(yàn)觀察跟剖析，發(fā)明球殼與空中打仗部門(mén)不敷潤(rùn)滑，同時(shí)機(jī)器人外部機(jī)構(gòu)的質(zhì)量漫衍絕對(duì)于中垂線非對(duì)稱性較大，從而加強(qiáng)了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制策略的滋擾。為了克制這類景象，除進(jìn)步機(jī)器人的拆卸精度跟魯棒控制戰(zhàn)略的控制能力中，可以采取諸如猜測(cè)節(jié)制、前饋節(jié)制等作為過(guò)渡控制算法以進(jìn)步體系切換的靜態(tài)特性。
圖9單備份切換實(shí)驗(yàn)中扭轉(zhuǎn)角速度的相應(yīng)曲線
論斷
針對(duì)球形機(jī)器人控制系統(tǒng)復(fù)雜性跟布局特殊性，提出了球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的計(jì)劃方式，并將節(jié)制問(wèn)題分化為s個(gè)部分控制器。這些部分控制器的鳩合組成了球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，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(wù)分配跟協(xié)作方面存在自主性。
基于提出的控制系統(tǒng)布局，研制了球形機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)，闡述了各個(gè)組成部分之間的彼此關(guān)聯(lián)。
為了進(jìn)步球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性，基于容錯(cuò)控制技術(shù)研制了冗余單備份伺服節(jié)制子系統(tǒng)；基于工夫容錯(cuò)、信息容錯(cuò)跟監(jiān)控軟件技術(shù)計(jì)劃了軟件系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于容錯(cuò)戰(zhàn)略計(jì)劃的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)是無(wú)效的、可行的。
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