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機(jī)器人robot水下機(jī)器人通用實(shí)時控制軟件研究與實(shí)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(jī)器人通用實(shí)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(jī)器人通用實(shí)時控制軟件。

基金項(xiàng)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(shí)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(jī)器人控制系統(tǒng)。

我們以正在開發(fā)的水下機(jī)器人通用試驗(yàn)平臺作為研究對象，在抽象分解水下機(jī)器人的基本功能，歸納總結(jié)各種水下機(jī)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(jī)器人實(shí)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(jī)器人通用實(shí)時控制軟件。

目前水下機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上分為有纜水下機(jī)器人（rov），和無纜水下水下自制機(jī)器人（auv）。rov通過系纜由人參與水下機(jī)器人的控制。auv完全由機(jī)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(jī)器人發(fā)展方向，其開發(fā)難度要遠(yuǎn)高于rov.從功能上來看，水下機(jī)器人分為作業(yè)型和觀察型。作業(yè)型水下機(jī)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(jī)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(jī)器人運(yùn)動功能，設(shè)備管理功能和其他輔助功能來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動功能實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的運(yùn)動，即六個自由度運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)。設(shè)備作業(yè)管理功能完成水下機(jī)器人設(shè)備的控制，如攝像機(jī)，照相機(jī)，水下機(jī)械手，傳感器等的控制。輔助功能完成水下機(jī)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(shí)現(xiàn)水下機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)運(yùn)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(shí)時操作系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)實(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)程顯示控制菜單并啟動各進(jìn)程；傳感器接收進(jìn)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(yùn)動控制進(jìn)程負(fù)責(zé)運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)；使命處理進(jìn)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(jìn)程記錄機(jī)器人工作過程中的數(shù)據(jù)；伺服控制進(jìn)程負(fù)責(zé)向電機(jī)發(fā)送控制量。

該程序以進(jìn)程為運(yùn)行單位，各進(jìn)程負(fù)責(zé)獨(dú)立的功能，做到了功能模塊化，同時利用qnx進(jìn)程的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性；其次公共數(shù)據(jù)區(qū)作為各進(jìn)程的的通訊機(jī)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(jìn)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(shí)時監(jiān)控層各進(jìn)程。

配置表，來管理實(shí)時監(jiān)控層的進(jìn)程配置。

進(jìn)程優(yōu)先級/進(jìn)程規(guī)劃方法/進(jìn)程運(yùn)行周期"進(jìn)程開關(guān)標(biāo)志/進(jìn)程描述/可否更改進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志/進(jìn)程創(chuàng)建與否標(biāo)志/備用/實(shí)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(jìn)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(shí)時監(jiān)控層，滿足自己的需求。以下是一個標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時監(jiān)控層進(jìn)程配置表。

進(jìn)程描述入口函數(shù)名優(yōu)先級規(guī)劃方法運(yùn)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(jìn)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(shí)時監(jiān)控層的接口，通過該進(jìn)程可以對實(shí)時監(jiān)控層屏蔽具體的硬件設(shè)備，使實(shí)時監(jiān)控層做到設(shè)備無關(guān)性。該進(jìn)程與設(shè)備管理層通信的工作流程見。

該層運(yùn)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(jī)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(dú)運(yùn)行的進(jìn)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(jī)器人實(shí)時控制軟件的特點(diǎn)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(shí)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(shí)時監(jiān)控層發(fā)送的消息/ /根據(jù)實(shí)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(shí)時顯示水下機(jī)器人工作lishing機(jī)器人（3）使命層使命層運(yùn)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(jī)狀況，并提供操作者向水下機(jī)器人發(fā)送工作指令的監(jiān)控界面。該層與實(shí)時監(jiān)控層通過消息進(jìn)行通信。

我們在總結(jié)水下機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時控制軟件的通用性。按照這一思想，以正在研制的水下機(jī)器人試驗(yàn)平臺作為對象，開發(fā)了一套水下機(jī)器人通用實(shí)時控制軟件。

要達(dá)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(shí)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(shí)時控制系統(tǒng)基本上達(dá)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(shí)時監(jiān)控層可以通過主控進(jìn)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(jìn)程協(xié)調(diào)運(yùn)行來完成整個系統(tǒng)的工作且進(jìn)程間相互獨(dú)立，各層之間相互獨(dú)立。

對于水下機(jī)器人試驗(yàn)平臺，由于試驗(yàn)性質(zhì)，需要加載更換不同的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同的功能。通過配置實(shí)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(shí)時控制程序來滿足試驗(yàn)要求。

我們正在嘗試將這一通用實(shí)時控制系統(tǒng)軟件向其他水下機(jī)器人推廣。相信它能夠?yàn)槲覈聶C(jī)器人產(chǎn)業(yè)化作出一些推動作用。