使用分層的方法設(shè)計(jì)機(jī)器人軟件

機(jī)器人軟件架構(gòu)是典型的控制回路的層次集， 包含了高端計(jì)算平臺(tái)上的高級(jí)任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制回路以及最終的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。 在這中間，還有循環(huán)控制路徑規(guī)劃、機(jī)器人軌跡、障礙避讓和許多其他任務(wù)。 這些控制回路可在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)(包括臺(tái)式機(jī)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及沒有操作系統(tǒng)的自定制處理器)上以不同的速率運(yùn)行。

在某些時(shí)候，系統(tǒng)中的各個(gè)部分必須一同運(yùn)行。 通常情況下，這需要在軟件和平臺(tái)間預(yù)定義一個(gè)非常簡(jiǎn)單的界面—就如控制和監(jiān)測(cè)方向與速度般簡(jiǎn)單。 共享軟件棧的不同層次的傳感器數(shù)據(jù)是一個(gè)不錯(cuò)的想法，但會(huì)給集成帶來相當(dāng)大的麻煩。 每個(gè)參與機(jī)器人設(shè)計(jì)的工程師或科學(xué)家的理念都有所不同，舉例來說，同一個(gè)架構(gòu)對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)家來說運(yùn)作良好，而在機(jī)械工程師那里可能就無法正常工作。

如圖1所示，擬議的移動(dòng)機(jī)器人軟件架構(gòu)由下列圖形所表示的三至四層系統(tǒng)構(gòu)成。 軟件中的每一層只取決于特定的系統(tǒng)、硬件平臺(tái)或機(jī)器人的終極目標(biāo)，與其上下層的內(nèi)容完全不相關(guān)。 典型的機(jī)器人軟件包括驅(qū)動(dòng)程序、平臺(tái)和算法層組件，而具備用戶交互形式的應(yīng)用包含了用戶界面層(該層可能不需要完全自主實(shí)現(xiàn))。

圖1. 機(jī)器人參考架構(gòu)

該范例中的架構(gòu)為帶有機(jī)械手臂的自主移動(dòng)機(jī)器人，它能夠執(zhí)行路徑規(guī)劃、障礙避讓和地圖繪制等任務(wù)。 這類機(jī)器人的應(yīng)用范圍在真實(shí)世界十分廣泛，包括農(nóng)業(yè)、物流或搜索和救援。 板載傳感器包括編碼器、慣性測(cè)量單元(IMU)、攝像頭和多個(gè)聲納及紅外(IR)傳感器。 傳感器聚變可以用來整合針對(duì)本地化的編碼器和IMU數(shù)據(jù) ，并定義機(jī)器人環(huán)境地圖。 攝像頭則用于識(shí)別載板機(jī)械手臂握住的物體，而機(jī)械手臂的位置由平臺(tái)層上執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法所控制，聲納和紅外傳感器可以避開障礙物。 最后，轉(zhuǎn)向算法被用來控制機(jī)器人的移動(dòng)，即車輪或履帶的移動(dòng)。 圖2就是基于移動(dòng)機(jī)器人架構(gòu)的美國宇航局機(jī)器人。

開發(fā)人員可以借助NI LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)這些移動(dòng)機(jī)器人的平臺(tái)層。 LabVIEW可用于設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)器人應(yīng)用—從機(jī)械手臂延伸到自主車輛開發(fā)。 該軟件提取I/O并可與多種硬件平臺(tái)集成，幫助工程師和科學(xué)家提高了他們的開發(fā)效率。 NI CompactRIO 硬件平臺(tái)在機(jī)器人開發(fā)中十分常用，它包括了集成的實(shí)時(shí)處理器與FPGA技術(shù)。 LabVIEW平臺(tái)的內(nèi)置功能可實(shí)現(xiàn)每一層之間的數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并顯示在PC主機(jī)上。

1. 驅(qū)動(dòng)層

顧名思義，驅(qū)動(dòng)層主要處理機(jī)器人操控所需的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。 在這一層的組件取決于系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器，以及運(yùn)行著驅(qū)動(dòng)軟件的硬件。 一般情況下，這一層的模塊采集工程單位(位置，速度，力量等等)中激勵(lì)器的設(shè)定值，生成底層信號(hào)來創(chuàng)建相應(yīng)的觸發(fā)，其中可能包括關(guān)閉這些設(shè)定值循環(huán)的代碼。 同樣的，該層的模塊還能采集原始傳感器數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的工程單位，并將傳感器值傳輸至其它架構(gòu)層。 圖3中的驅(qū)動(dòng)層代碼就是使用LabVIEW FPGA模塊 開發(fā)的，并在CompactRIO平臺(tái)的嵌入式FPGA模塊上執(zhí)行。 聲納、紅外和電壓傳感器都連接在FPGA的數(shù)字I/O引腳上，信號(hào)在連續(xù)循環(huán)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行處理，這些結(jié)構(gòu)在FPGA上真正的并行執(zhí)行。 這些函數(shù)輸出的數(shù)據(jù)被發(fā)送到平臺(tái)層上進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖3. 傳感器和激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)層界面

驅(qū)動(dòng)層可以連接到實(shí)際的傳感器或激勵(lì)器，或連接環(huán)境仿真器中的I / O。 除了驅(qū)動(dòng)層以外，開發(fā)人員無需修改系統(tǒng)中的任何層，就能在仿真和實(shí)際硬件之間進(jìn)行切換 。圖4為LabVIEW機(jī)器人模塊 2011，它包含了基于物理學(xué)的環(huán)境仿真器，因此用戶可在硬件和仿真之間切換，除了硬件I / O模塊以外就無需修改任何代碼。 開發(fā)人員可以使用例如LabVIEW機(jī)器人環(huán)境仿真器等工具來在軟件中快速驗(yàn)證他們的算法。

2. 平臺(tái)層

平臺(tái)層中的代碼對(duì)應(yīng)了機(jī)器人的物理硬件配置。該層中底層的信息和完整的高層軟件之間能夠進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，頻繁地在驅(qū)動(dòng)層和高層算法層之間切換。如圖5所示，我們使用了LabVIEW FPGA讀/寫結(jié)點(diǎn)從FPGA中接受原始紅外傳感器數(shù)據(jù)，并且在CompactRIO實(shí)時(shí)控制器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 我們使用LabVIEW函數(shù)將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的數(shù)據(jù)—在本案例中為距離，并判斷我們是否在4米至31米的范圍之外。

圖5. 平臺(tái)層在驅(qū)動(dòng)層和算法層之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換

3. 算法層

該層中的組件代表了機(jī)器人系統(tǒng)中高層的控制算法。圖6呈現(xiàn)了機(jī)器人需要完成任務(wù)，可以看到算法層中的模塊采集系統(tǒng)信息，如位置、速度或處理后的視頻圖像，并基于所有反饋信息作出控制決定。該層中的組件能夠?yàn)闄C(jī)器人環(huán)境規(guī)劃地圖，并根據(jù)機(jī)器人周圍的障礙物規(guī)劃路徑。圖6中的代碼顯示的是使用矢量場(chǎng)直方圖(VFH)避障的范例。在該范例中，距離數(shù)據(jù)從平臺(tái)層發(fā)送至距離傳感器，再由VFH模塊接收。VFH模塊的輸出數(shù)據(jù)包含了路徑方向，該信息直接發(fā)送到平臺(tái)層上。在平臺(tái)層上，路徑方向輸入至轉(zhuǎn)向算法，并生成底層代碼，然后直接發(fā)送到驅(qū)動(dòng)層上的電機(jī)上。

圖6. 算法層根據(jù)反饋信息作出控制決定

算法層組件的另一個(gè)范例是搜索紅色的球狀物體，并使用機(jī)械手臂將它拾起的機(jī)器人。該機(jī)器人憑借其設(shè)定的方式，在避讓障礙的同時(shí)探索環(huán)境——這就需要搜索算法與避障算法相結(jié)合。在搜索時(shí)，平臺(tái)層模塊會(huì)處理圖像，并且返回物體是否找到的信息。球被檢測(cè)到以后，算法會(huì)生成一條運(yùn)動(dòng)軌跡，手臂端點(diǎn)根據(jù)它就能抓住并拾起球體。

范例中的每個(gè)任務(wù)都具有一個(gè)高層目標(biāo)，與平臺(tái)或物理硬件無關(guān)。 如果機(jī)器人擁有多個(gè)高層目標(biāo)，那么這一層還需包含仲裁來為目標(biāo)排序。

4. 用戶接口層

用戶接口層中的應(yīng)用程序并不需要完全獨(dú)立，它為機(jī)器人和操作員提供了物理互動(dòng)，或在PC主機(jī)上顯示相關(guān)信息。 圖7顯示的是圖形用戶界面，上面包含板載相機(jī)上的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，以及地圖上周圍障礙的XY軸坐標(biāo)。 伺服角度控制讓用戶可以旋轉(zhuǎn)與相機(jī)連接的板載伺服電機(jī)。 在該層中還能讀取鼠標(biāo)或游戲桿的輸入數(shù)據(jù)，或驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的文本顯示。 該層中的組件，例如GUI的優(yōu)先級(jí)非常低;而急停按鈕等類似組件則需要以確定性的方式與代碼捆綁。

根據(jù)目標(biāo)硬件不同，軟件層可能分布于多個(gè)不同目標(biāo)。 在很多情況下，各個(gè)層都在一個(gè)計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。 對(duì)于不確定的應(yīng)用程序，軟件目標(biāo)為運(yùn)行Windows或Linux系統(tǒng)的單臺(tái)PC。 對(duì)于需要更為嚴(yán)格定時(shí)限制的系統(tǒng)，軟件目標(biāo)為單個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，且具備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

鑒于 CompactRIO與NI Single-Board RIO 的小體積、供電要求和硬件架構(gòu)， 它們對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用程序來說是理想的計(jì)算平臺(tái)。驅(qū)動(dòng)程序、平臺(tái)和算法層可在實(shí)時(shí)處理器和FPGA上分布，如圖8所示，如果需要，用戶界面層可在一臺(tái)主機(jī)PC上運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或傳感器過濾器等高速組件可在FPGA架構(gòu)上確定地運(yùn)行，無需占用處理器的時(shí)鐘周期。平臺(tái)和算法層上的中層控制代碼可以以優(yōu)先循環(huán)的方式在實(shí)時(shí)處理器上確定地運(yùn)行，而內(nèi)置的以太網(wǎng)硬件可將信息傳輸?shù)街鳈C(jī)PC上生成用戶界面層。

圖8. 映射到CompactRIO或NI Single-Board RIO嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人參考架構(gòu)

文獻(xiàn)中有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人軟件架構(gòu)的簡(jiǎn)要介紹表明了該主題還存在很多不同方法來創(chuàng)建機(jī)器人軟件。 本文就如何構(gòu)建移動(dòng)機(jī)器人軟件給出了一種廣義的答案;然而任何設(shè)計(jì)都需要預(yù)先作出考慮與規(guī)劃，才能適應(yīng)架構(gòu)。作為回報(bào)，一個(gè)定義明確的架構(gòu)有助于開發(fā)人員輕松地并行處理項(xiàng)目，將軟件劃分成明確的界面層次。 此外，將代碼劃分成具有明確的輸入和輸出功能模塊有助于今后項(xiàng)目中的代碼組件復(fù)用。