[机器人软件架构]使用分层的方法设计机器人软件

机器人软件架构使用分层的方法设计机器人软件 目录 1. 驱动层 2. 平台层 3. 算法层 4. 用户接口层 机器人软件架构是典型的控制回路的层次集， 包含了高端计算平台上的高级任务规划、运动控制回路以 及最终的现场可编程门阵列（FPGA）。 在这中间，还有循环控制路径规划、机器人轨迹、障碍避让和 许多其他任务。 这些控制回路可在不同的计算节点（包括台式机、实时操作系统以及没有操作系统的自 定制处理器）上以不同的速率运行。 在某些时候，系统中的各个部分必须一同运行。 通常情况下，这需要在软件和平台间预定义一个非常简 单的界面就如控制和监测方向与速度般简单。 共享软件栈的不同层次的传感器数据是一个不错的想法， 但会给集成带来相当大的麻烦。 每个参与机器人设计的工程师或科学家的理念都有所不同，举例来说， 同一个架构对于计算机科学家来说运作良好，而在机械工程师那里可能就无法正常工作。 如图 1 所示，拟议的移动机器人软件架构由下列图形所表示的三至四层系统构成。 软件中的每一层只取 决于特定的系统、硬件平台或机器人的终极目标，与其上下层的内容完全不相关。 典型的机器人软件包 括驱动程序、平台和算法层组件，而具备用户交互形式的应用包含了用户界面层（该层可能不需要完全自 主实现）。 图 1. 机器人参考架构 该范例中的架构为带有机械手臂的自主移动机器人，它能够执行路径规划、障碍避让和地图绘制等任务。 这类机器人的应用范围在真实世界十分广泛，包括农业、物流或搜索和救援。 板载传感器包括编码器、 惯性测量单元（IMU）、摄像头和多个声纳及红外（ IR）传感器。 传感器聚变可以用来整合针对本地化 的编码器和 IMU 数据 ，并定义机器人环境地图。 摄像头则用于识别载板机械手臂握住的物体，而机械 手臂的位置由平台层上执行的运动学算法所控制，声纳和红外传感器可以避开障碍物。 最后，转向算法 被用来控制机器人的移动，即车轮或履带的移动。 图 2 就是基于移动机器人架构的美国宇航局机器人。 图 2. SuperDroid Robots 设计的移动机器人 开发人员可以借助 NI LabVIEW 系统设计软件来实现这些移动机器人的平台层。 LabVIEW 可用于设计复 杂的机器人应用从机械手臂延伸到自主车辆开发。 该软件提取 I/O 并可与多种硬件平台集成，帮助工 程师和科学家提高了他们的开发效率。 NI CompactRIO 硬件平台在机器人开发中十分常用，它包括了集 成的实时处理器与 FPGA 技术。 LabVIEW 平台的内置功能可实现每一层之间的数据通信，通过网络传 输数据并显示在 PC 主机上。 1. 驱动层 顾名思义，驱动层主要处理机器人操控所需的底层驱动函数。 在这一层的组件取决于系统中的传感器和 执行器，以及运行着驱动软件的硬件。 一般情况下，这一层的模块采集工程单位（位置，速度，力量等 等）中激励器的设定值，生成底层信号来创建相应的触发，其中可能包括关闭这些设定值循环的代码。 同样的，该层的模块还能采集原始传感器数据，将其转换成有用的工程单位，并将传感器值传输至其它架 构层。 图 3 中的驱动层代码就是使用 LabVIEW FPGA 模块 开发的，并在 CompactRIO 平台的嵌入式 FPGA 模块上执行。 声纳、红外和电压传感器都连接在 FPGA 的数字 I/O 引脚上，信号在连续循环结构 中进行处理，这些结构在 FPGA 上真正的并行执行。 这些函数输出的数据被发送到平台层上进行进一步 处理。 图 3. 传感器和激励器的驱动层界面 驱动层可以连接到实际的传感器或激励器，或连接环境仿真器中的 I / O。 除了驱动层以外，开发人员无 需修改系统中的任何层，就能在仿真和实际硬件之间进行切换 。图 4 为 LabVIEW 机器人模块 2011，它 包含了基于物理学的环境仿真器，因此用户可在硬件和仿真之间切换，除了硬件 I / O 模块以外就无需修 改任何代码。 开发人员可以使用例如 LabVIEW 机器人环境仿真器等工具来在软件中快速验证他们的算 法。 图 4. 如果需要进行仿真，必须要在驱动层中使用环境仿真器。 2. 平台层 平台层中的代码对应了机器人的物理硬件配置。该层中底层的信息和完整的高层软件之间能够进行双向转 换，频繁地在驱动层和高层算法层之间切换。如图 5 所示，我们使用了 LabVIEW FPGA 读/写结点从 FPGA 中接受原始红外传感器数据，并且在 CompactRIO 实时控制器上进行数据处理。 我们使用 LabVIEW 函数将原始传感器数据转换成有用的数据在本案例中为距离，并判断我们是否在 4 米至 31 米 的范围之外。 图 5. 平台层在驱动层和算法层之间进行转换 3. 算法层 该层中的组件代表了机器人系统中高层的控制算法。图 6 呈现了机器人需要完成任务，可以看到算法层中 的模块采集系统信息，如位置、速度或处理后的视频图像，并基于所有反馈信息作出控制决定。该层中的 组件能够为机器人环境规划地图，并根据机器人周围的障碍物规划路径。图 6 中的代码显示的是使用矢量 场直方图（VFH）避障的范例。在该范例中，距离数据从平台层发送至距离传感器，再由 VFH 模块接收。 VFH 模块的输出数据包含了路径方向，该信息直接发送到平台层上。在平台层上，路径方向输入至转向 算法，并生成底层代码，然后直接发送到驱动层上的电机上。 图 6. 算法层根据反馈信息作出控制决定 算法层组件的另一个范例是搜索红色的球状物体，并使用机械手臂将它拾起的机器人。该机器人凭借其设 定的方式，在避让障碍的同时探索环境这就需要搜索算法与避障算法相结合。在搜索时，平台层模块 会处理图像，并且返回物体是否找到的信息。球被检测到以后，算法会生成一条运动轨迹，手臂端点根据 它就能抓住并拾起球体。 范例中的每个任务都具有一个高层目标，与平台或物理硬件无关。 如果机器人拥有多个高层目标，那么 这一层还需包含仲裁来为目标排序。 4. 用户接口层 用户接口层中的应用程序并不需要完全独立，它为机器人和操作员提供了物理互动，或在 PC 主机上显示 相关信息。 图 7 显示的是图形用户界面，上面包含板载相机上的实时图像数据，以及地图上周围障碍的 XY 轴坐标。 伺服角度控制让用户可以旋转与相机连接的板载伺服电机。 在该层中还能读取鼠标或游戏 杆的输入数据，或驱动简单的文本显示。 该层中的组件，例如 GUI 的优先级非常低；而急停按钮等类似 组件则需要以确定性的方式与代码捆绑。 图 7. 用户接口层允许用户与机器人进行交互或显示信息 根据目标硬件不同，软件层可能分布于多个不同目标。 在很多情况下，各个层都在一个计算平台上运行。 对于不确定的应用程序，软件目标为运行 Windows 或 Linux 系统的单台 PC。 对于需要更为严格定时限 制的系统，软件目标为单个处理节点，且具备实时操作系统。 鉴于 CompactRIO 与 NI Single-Board RIO 的小体积、供电要求和硬件架构， 它们对于移动应用程序来 说是理想的计算平台。驱动程序、平台和算法层可在实时处理器和 FPGA 上分布，如图 8 所示，如果需 要，用户界面层可在一台主机 PC 上运行。电机驱动器或传感器过滤器等高速组件可在 FPGA 架构上确定 地运行，无需占用处理器的时钟周期。平台和算法层上的中层控制代码可以以优先循环的方式在实时处理 器上确定地运行，而内置的以太网硬件可将信息传输到主机 PC 上生成用户界面层。 图 8. 映射到 CompactRIO 或 NI Single-Board RIO 嵌入式系统的移动机器人参考架构 文献中有关移动机器人软件架构的简要介绍表明了该主题还存在很