孙瑞彤

摘 要：立足于容错功能对具备高稳定性的一款球状机器人操控体系展开研究。依照球状机器人自行活动的功能需求把操控问题划分成八个分体控制装置，且基于分体操控装置的结构分析以及多功能传感装置的球状机器人嵌入型控制体系。此类分体操控装置彼此之间蕴含着通讯及讯息交互传递的功能，在职责分担及协作配合上具备自立性。依托在时间上包容过错及讯息传递上包容过错的工艺設计以及球状机器人的控制软件体系，来编制出监控型软件以便监视软件组织的运行态势变化。

关键词：球状机器人；操控体系；容错功能；控制机构

自从著名工程专家HALMEA等人在一九九六年率先研发出球状机器人之后，其行为操控体系始终被看作球状机器人开发范畴内的重点性问题。球状机器人动作机构的特异性能及操控手段的繁琐性促使现阶段的研究过程重点关注于对其的动力学性质研究及模型构建，另外还有针对相关运动过程操控及规划程序的设计工作等项内容上，而在尽力编制稳妥的、把握的操控机构以减少装置运作过程中的事故发生率等方面的研究过程却是很少。容错操控体系可以大幅度地提升运作装置的稳固性及把握性。依托构建退化过程条件数目及容错过程影响系数等性能参数来拟定并使冗余型机器人具被最高容错控制性能的编制数据。

1 球状机器人操控机构的拟定和分析

直到现在，自行性机器人的操控机制重点包括3类经典的构成：依托效能分担及多层递级的控制构架、依托过程操控的响应型操控机构以及依托于程序规划及响应的混合型操控机构。多层递级型系统机构操控其构架层次明晰，完整地处置了机构效能及操控精准度的矛盾，然而其需要对所处环境条件实施整体方位的感悟及精准的拟模过程。响应型操控机构中，其内部的多个层次都具备单独的环境性的感悟功能，对周边环境具备极佳的鲁棒性能及配合性能，然而其欠缺全方位的引导和配合。混合型操控机构把对周边环境的感悟、策略型操控及前期逻辑推理等效能模块紧密地融合到一起，不但具备了多层构架的整体性，又带有了响应型机构的机动性。

1.1 球状机器人操控体系的机构编制手段

球状机器人操控体系亦可将其叫做“复合式操控体系”，其是依托操控运算方法及众多小范围操控构件所构成的。其中各个操控运算方法均可被叫做单元操控器件，它们彼此之间蕴含着高低层次及彼此默契配合的关联关系。其中可以实现特型动作过程的单元操控器件组成了小范围复合式操控机构，而球状机器人的曹控体系正是依托此类小范围组合式操控装置所组成的。小范围复合式调控机构彼此之间蕴含着小范围内的紧密融合关系，具备彼此通讯及讯息交流互动的功能，在动作过程分担及配合内容上具备自行性能。给球状机器人自行活动过程所编制的八个小范围组合式操控器件的实际内涵及效能为：

（1）移动型机器人操控机构是总体操控体系内最高等级的小范围操控机构，具备最高等级的优先行为效能，其担负着机器人讯息传导部件的讯息测试、小范围操控机构的形态匹配、远距离操控指令的接领及机器人动作形态讯息的响应等。

（2）电动马达监控机构是电动设备应侍操控各分体单元机构中的监管层单体操控装置，可以依照实际所需行为过程密切监控下层单体操控装置的运作状况，且测试电动马达的运作形态。

1.2 球状机器人操控体系的组成分析

依照给出的组成编制程序所研发的球状机器人操控体系的重点涵盖内容包括：应侍操控单元、电源控制单元、导向和讯息传感结构单元、通讯结构单元、内嵌型操控分体单元及远距离操控单元等。这里的应侍驱动控制单元是由电动马达、降速装置及电动马达驱动装置组合而成；导向及讯息传感操作单元是由惯性体检测机构、激光型距离测定装置、视角型讯息传感装置及光电讯息程序编制装置构成。

2 球状机器人操控体系的容错机制

球状机器人的操控体系是属于一种极为复杂型的电脑操控体系，其组成中的硬件组成及软件组成的总量相当大，所以其机构发生故障的可能性亦极大。

2.1 冗余型两备份应侍操控分体单元的结构设计

在此给出了一款冗余两备份的电动马达应侍操控分体单元。其两台电动马达都是属于无刷型直流式电动马达，且设置了行星式降速装置及光电编码机构以及驱动控制器。伺服控制子系统采用两套相同的驱动控制器在仲裁管理下共同控制一个电动机的运行模式。

2.2 软件系统的容错策略

球形机器人控制系统的软件主要采用了时间容错和信息容错的设计方法。时间容错方法是以牺牲时间来换取系统高可靠性的一种手段。信息容错是指为了检测和纠正信息在运算或传输过程中的错误而外加了一部分冗余信息码，使原来不相关的数据变为相关，并把这些冗余码作为监督码与有关的信息一起传递，从而实现冗余容错。球形机器人控制系统的软件采用两类方式的时间容错方法，是通过重复执行指令来检测故障。

3 结语

针对球形机器人控制系统复杂性和结构特殊性，提出了球形机器人控制系统的设计方法，并将控制问题分解为8个局部控制器。这些局部控制器的集合构成了球形机器人的控制系统，而且局部子控制器相互之间具有通信和信息交互的能力，在任务分配和协作方面具有自主性。本文基于提出的控制系统结构，研制了球形机器人的嵌入式控制系统，论述了各个组成部分之间的相互关系。

参考文献

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（作者单位：St.Thomas More School）