（模式识别与智能系统专业论文）机器人感知系统标准化与模块化设计.pdf

摘要摘要目前，机器人跃居科技产业的主流地位，由于数字整合的需求日益增长，机器人感知系统愈来愈复杂，牵扯到的接口愈来愈多，对开放性和互操作性提出了越来越高的要求，缺乏统一的设计模型制约着我国机器人产业的发展，因而触发了对机器人感知系统模块化与标准化设计的强烈需求。本文基于软硬件分离的原则，对机器人感知系统进行模块化分解，设计标准化的感知系统数据描述规范以及用户接口格式，最后将该模型应用到机器人足部感知系统中，显示了其在机器人感知系统可重用、易操作等方面的作用。文章主要包含下面几个工作内容：1 ) 构建了具有模块化特征的仿生机器人感知系统模型：该模型以模块化架构的理念分割系统，强调各模块的可重用性，为机器人感知系统的软、硬件整合提供了较好的平台。2 ) 重点设计了机器人感知系统的软件模块：充满弹性的软件模块改变了以往软件无法应付硬件的快速更新的问题，具体包括传感器的数据描述、感知系统节点的数据描述、通信协议规范以及机器人感知系统的用户接口函数的定义这四个部分。3 ) 实现机器人感知系统模块化与标准化设计在足部感知系统中的应用：基于d s p 硬件平台设计机器人足部感知系统，对系统的六维力传感器、陀螺仪及足部感知系统节点自身进行标准的数据描述定义，并规定了统一的通信协议，在此基础上给出了标准化的用户接口函数规范，并基于l a b v i e w 的图形开发环境设计了感知系统数据描述的编写、读取及保存等控件，为传感器的即插即用奠定了较好基础。机器人感知系统的标准化与模块化设计能够降低机器人感知系统的开发成本，减少大量低水平的简单重复的研发工作，为建立具有广泛互操作性的机器人系统提供了一定的研究基础。关键词：机器人感知模块化标准化通信协议数据描述用户接口a b s t r a c t- _ _ - - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - - - - - _ 一-a b s t r a c tt e c h n o l o g yn e v e rs t a n d ss t i l l n o w a d a y sr o b o th a sb e e nt h em a i n s t r e a mo ft e c h n o l o g yi n d u s t r y 强ed e m a n df o rd i g i t a li n t e g r a t i o ni sg r o w i n gr a p i d l y ；a l s ot h er o b o tp e r c e p t i o ns y s t e mi sg e t t 吨m o r ea n dm o r ec o m p l e xa n di n v o l v i n gm o r ea n dm o r ei n t e r f a c e s r e s p e c t i n ga l lt h e s ef a c t s ，t h er e q u i r e m e n t sf o rt 1 1 es y s t e m so p e n n e s sa n di n t e r o p e r a b i l i t ya r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r a c t u a l l y ，n oe x i s t e n ta n du n i f i e dd e s i g nm o d e li so n eo ft h em o s tc o n s t r a i n i n gf a c t o r sf o r 也ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sr o b o ti n d u s t r y , a n dd e s i g n i n gf o ram o d u l a ra n ds t a n d a r d i z e dr o b o tp e r c e p t i o ns y s t e mb e c o m e sv e r yu r g e n ta n dn e c e s s a r y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a rd e s i g n ，am o d e lo fr o b o tp e r c e p t i o ns y s t e mw i t hm o d u l a rf e a t u r e sh a sb e e nb u i l ta n di n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b ya p p l y i n gt h i sm o d u l a rm o d e lt oaf o o tp e r c e p t i o ns y s t e m ，i ts h o w e dag o o dp e r f o r m a n c e ，a n dw i t ha d v a n t a g e so fr e u s a b l e ，e a s yt oo p e r a t ea n de r e t h j sp a p e rc a l lm a i n l yb ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t s ：1 、b u i l dam o d e lo fr o b o tp e r c e p t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sm o d u l a rd e s i g nc o n c e p ta n ds e p a r a b l ef r a m e w o r k t h em o d u l e so ft h em o d e la l er e u s a b l ea n dr e p l a c e a b l e ；2 、d e s i g nas o f t w a r em o d u l ef o rt l l er o b o tp e r c e p t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sh i g hf l e x i b i l i t ya n dc a nb eu p d a t e dt oc o p ew i t hr a p i du p d a t i n g0 fh a r d w a r ei s s u e s t h es o f t w a r em o d u l ei n c l u d e sd a t ad e s c r i p t i o no fs e n s o r s ，d a t ad e s c r i p t i o no fs y s t e mn o d e s ，p r o t o c o ls p e e i 丘c a t i o n ，a n dt h ed e f i n i t i o no ft h eu s e ri n t e r f a c ef u n c t i o n s ；3 、a p p l yt h em o d u l a rm o d e ls u c c e s s f u l l yt oaf o o tp e r c e p t i o ns y s t e m t h ef o o tp e r c e p t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nd s ph a r d w a r ep l a t f o m ，w h i c hg i v et h es t a n d a r d d a t ad e s c r i p t i o nf o rt h es y s t e m ss i x - a x i sf o r c es e n s o r s ，g y r o s c o p e sa n ds y s t e mn o d e s t h es y s t e mh a sau n i f o 咖p r o t o c o la n dp r o v i d e sas t a n d a r d i z e du s e ri n t e r f a c ef u n c t i o n s u n d e rt h ed e v e l o p m e n to fl a b v l e w ，c o n t r o li n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e da n dt h r o u g hw h i c h ，e d i t ，r e a da n ds a v et h es y s t e m sd a t ac a l lb ea c h i e v e d a sac o n t r i b u t i o n ，t h i sm o d u l a rm o d e li sp r o v i d i n gas o l u t i o nf o rr e d u e i n gt h ee x p e n s e sd u r i n gd e v e l o p m e n to fr o b o tp e r c e p t i o ns y s t e m ，a n dw h i c ha l s oc a nb eab a s i sf o rd e v e l o p i n gr o b o ts y s t e mw i t he x t e n s i v ei n t e r o p e r a b i l i t y k e yw o r d s ：r o b o tp e r c e p t i o n ，m o d u l a r ，s t a n d a r d i z a t i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d a t ad e s c r i p t i o n ，u s e ri n t e r f a c ei i i中国科学技术大学学位论文原刨性和授权使用声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：年月日劣1，b夕冲州第1 章引言第1 章引言目前，机器人产业既面临空前的发展机遇，又面临严峻的挑战。机器人产业没有形成统一的提携结构，也尚未完成功能组件( f u n c t i o n a lc o m p o n e n t ) 的模块化与标准化。由于软硬件没有分离，且缺乏相应的基础标准体系与接口协议规范，研发工作存在大量低水平的简单重复，不能实现各种功能组件之间的可重用与互置换，从而造成没有形成专业化配套与产业链分工，不能实现工业化级别的规模生产，致使制造成本高昂，已严重制约了机器人新兴产业的形成和发展。1 1 机器人自1 9 5 9 年美国德沃尔和英格伯格制造出世界上第一台工业机器人以来，机器人至今分别经历了示教再现型机器人、感知机器人和智能机器人这三个发展阶段( 蒋新松，1 9 9 4 ) ，比尔盖茨表示，很多人都低估了未来的机器人，并预言未来家家都有机器人。按照目前广泛接受的观点，机器人概念内涵应包括感知、行动( 执行或者控制) 、决策和交互四个方面的部分或者全部所构成的系统。机器人技术的发展趋势有两个突出的特点：横向上，机器人的应用范围不断扩大，种类日趋增多；纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向分布式、智能化方向发展。机器人正在进入“仿人机器人 的高级发展阶段，无论从相貌到功能还是从思维能力和创造能力方面，都向人类“进化”甚至在某些方面大大超过人类。未来的机器人有视觉、嗅觉、触觉、力觉、思维，能与人对话，为人类做家务，能在所有危险场合工作，能为人进行康复训练，甚至可以克隆自己并且自我修复。总之，它们能在各种人类难至的环境中工作，代替人去从事各种复杂工作。第】章引言2 0 0 52 0 1 0图1 1 机器人的市场预测图1 2 机器人感知系统机器人感知系统担任着机器人神经系统的角色将机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息甚至知识，它与机器人控制系统和决策系统组成机器人的核心。121 机器人感知系统的定义传感器用于为机器人系统提供输入信息，由这些传感器组成的“感觉”外部环境的系统就构成了机器人的感知系统，它将机器人内部状态信息( 位置、姿态、线速度、角速度、加速度、角加速度、平衡) 和外部环境信息转变为机器人系统自身、机器人相互之间能够理解和应用的数据、信息、知识的系统包括各种机器人专用传感器、信号调理电路、模数转换、处理器构成的硬件部分和传感器识别、枝准、信息融合与传感数据库所构成的软件部分。其物理构成可能是独立形态存在，也可能是以机器人系统其他模块集成在一起的形态存在。其包括与各种机器人传感器的物理接口、机器人系统网络接口、机器人传感器或机器人传感器节点互操作协议、各种感知模块模型、机器人传感器应用接口、用户应用接口。机器人任何行动都要从感知环境开始，如果这个过程遇到障碍，那么它以后的所有行动都没有依托。没有传感器系统的支持，就相当于人失去了眼睛、鼻子等感觉器官。一个机器人的智能在很大程度上取决于它的感觉系统。构成机器人感知和控制的传感器种类繁多具体包括视觉、听觉、触觉、力觉、距离觉、平衡觉等类型传感器控制系统报告电机等执行结构，对于传感器，原理各不相同，但无论是那种原理的传感器，展后都需要将被攫4 信号转换为电阻、电容、电感等765432 ，0第1 章引言电量信号，经过信号处理变为计算机能够识别、传输的信号；对于执行器，则需要将控制数字信号转化为电流、电压信号。122 机器人感知系统的交互作用机器人感知系统标准化规范是针对机器人应用，将机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之闾能够理解和应用的数据、信息、知识而提出的一般性规范。机器人感知系统的交互包括机器人与环境、机器人与人、机器人与机器人之间以及机器人内部的这四种形式的交互，它们之间的交互关系可以用下面的图1 2 来展示。为了完成某项任务，几种交互往往需要合作，比如机器人为人导航，这个例子便集成了这四种交互，首先机器人内部的交互自不必说，机器人通过对人类表情等的识别来判断人类是否需要帮助，机嚣人需要与环境的交互判断障碍物的位置，昂后机器人之间需要“打电话”协作来传递信息。图12 机器人人坪境之间的交互第1 章引言1 2 3 机器人感知系统模块化与标准化设计的意义最近几年来，数字整合的需求日益增长，对机器人感知系统的开放性和互操作性提出了越来越高的要求，然而机器人感知系统愈来愈复杂，牵扯到的接口愈来愈多，交互方式愈来愈多样化，涉及的学科多样化，理解整个系统的各个层面是件复杂的工作。就机器人感知系统的接口而言，目前处于一种十分杂乱的状态，具体体现在：没有统一的标准，输出信号不一致、传感器的生产与工业应用脱钩、更多的公司热衷于二次仪表的开发，针对不同的应用需要，开发出不同的接口。无论从传感器的生产厂家、还是中间集成商、以及最终用户，都面临重复投入的问题。国内这种问题显得更加突出，各个企业基本上是在一定的标准上采用私有协议，传感器执行器之间无法实现自识别、互操作及即插即用。从目前的现状来看，传感器执行器的接口技术成为机器人实时感知和控制的关键。目前机器人领域感知系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定，如h a r t ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，e t h e m c t ，c o n t r o l n e t 及c a n 等，每种总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。首先对于传感器执行器的生产厂家来说，如果希望自己的产品得到广泛的市场份额，产品本身必须符合各种标准的规定，因此需花费很大的精力来了解和熟悉这些标准，同时在硬件的接口上符合每一种标准的要求，无疑增加了制造商的成本；其次，对于系统集成开发商来说，必须充分了解各种总线标准的优缺点和能够提供符合相应标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器和执行器使之与系统匹配；最后对于用户来说，如果需要扩展系统的功能( 根据需要这种情况经常发生) ，增加新的智能传感器或执行器，则所选择的传感器执行器必须能够适合原来系统所选择的网络接口标准，在很多的情况下这很难满足，因为一般智能传感器执行器的厂家无法提供满足各种网络协议要求的产品，如果更新系统，将给用户的投资利益带来很大的损失( 卞亦文，2 0 0 3 ) 。感知系统是机器人的周围神经，随着机器人智能化程度的提高，感知系统所运用的传感器更是日益繁多，机器人系统的模块化设计是大势所趋，由此必会带来机器人感知系统的模块化设计，共同遵守的参考模型是其设计基础。机器人正在进入“类人机器人”的高级发展阶段，无论从外形到功能还是从思维方式和行动能力方面，都向人类“进化 ，甚至在某些方面已大大超过人类。未来的机器人有视觉、嗅觉、触觉、力觉、思维，能与人对话，能在所有危险场合工作，甚至能为人治病，还可克隆自己和自我修复自己，总之，它们能在各种非常艰难危险的工作中，代替人甚至超过人类去从事各种工作。机器人感知系统趋于复杂，4第1 章引言急需一种新的感知系统组织方式，以及套感知系统性能评估体系来为机器人感知系统的组建提供指导。机器人感知系统标准化工作的必要性总结如下：l 、仿人机器人智能化很大程度上取决于其感知能力，其传感器种类越来越多，对可重用和互置换的要求迫在眉睫；2 、现场总线的标准各自为政，需要统一的通信协议来约束，方便用户的操作；3 、国家的战略需求，国内机器人及传感器产业现状迫切需要制订的相应的标准，实现工业化级别的规模生产，降低制造成本。1 3 机器人传感器1 3 1 传感器的分类传感器的分类方式并不是唯一的，按数据类型，传感器有模拟传感器、数字传感器以及离散传感器这三种类型；按照通道的维数，传感器有单路( s c a l a r )和多路( v e c t o r ) 这两种；按照采样点数，传感器又分为单点( s i m p l e ) 和序列( s e r i e s ) 。单路通道只采集1 路信号，多路通道同一时刻可采集多路信号，如同时采集三个轴向的加速度。单点传感器指1 次只采集1 个采样点，多点指1 次连续采集多个采样点，例如1 次采集5 1 2 个点的力信号。模拟传感器的信号需经过a d 转换过程，变成数字系统能够处理的数字信号，采用浮点数表示；数字传感器信号用b i t 序列表示，位序列的内容由外围模块解析；离散信号用布尔型或整型表示。这些类别的传感器交叉组合后可以进行更细的分类，具体见下图。们毖簦s i m p l e ( 单点) lis e r i e s ( 序列)a n a l og y ( 模拟) lld i g i t a 】( 数字) lld is c r e t e ( 逻辑)c 力匿嚣g 序2 列妻赣喜篷g 器s c a l 茁弹路)们巨单岛路9 致琶毳i 嚣翳差蓑臻明篡备传l 嚣c 力宝嚣曼序臻列錾马冀嚣g 器霾2 列耋赣品传善毳图1 3 传感器的分类v e c t o l ( 多路)| =曼多昌路。数茜字巨传篇感甚嚣詈蠢謦序暑列量擎臻旨蠢呈离| 薹冀2 列詈蠹嚣第1 章引言1 3 2 机器人传感器的分类机器人根据所完成任务的不同，配置的传感器类型和规格也不尽相同，般分为内部信息传感器和外部信息传感器。机器人传感器分类如图1 4 所示：内i j i ；信息传感器：| 圃ii 稠：i - 一ii 匦圃ii 一；臣丽困i：i 登笪墨墅l ；! 非接触传感馨!i ，_ o 。1 ：li 视觉挎匾器i !：l - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ jlil 墅堂竺壁登i ：| 匮囹il 回；外部信息传感器接触传感器1 塑皇i；i 墼堂堕壁望ili 匝圃lii 。一ii 广11：l 塑堂堡壁壁i ； 稠：il - - _ _ _ - - - _ - - _ - - - - _ _ _ 一i 圃i广孺| 圆!l 固i图1 4 机器人传感器的分类内部信息传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置，安装在机器人自身中，用来感知机器人自己的状态，采集机器人本体、关节和手爪的位移、速度、加速度等来自机器人内部的信息，以调整和控制机器人的行动。内部传感器通常由位置、加速度、速度及压力传感器等组成。外部传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使机器人和环境发生交互作用，采集机器人和外部环境以及工作对象之间相互作用的信息，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外部传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉和味觉等传感器，机器人的外部传感器分类见表1 1 ( 罗双胜，2 0 0 8 ) 。表1 1 机器人用外部传感器分类传感器检测内容检测时间应用触觉接触限制开关动作顺序控制把握力应变力，半导体感压元件把握力控制荷重弹簧变位测量器张力控制、指压控制分布压力导电橡胶、感压高分子材料姿势、形状判别多元力应变计，半导体感压元件装配力控制力矩压阻元件、马达电流计协调控制滑动光学旋转检测器、光纤滑动判定、力控制6第1 章引言传感器检测内容检测时间应用接近觉接近光电开关、l e d 、红外、激光动作顺序控制间隔广电晶体管、光电二极管障碍物躲避倾斜电磁线阀、超声波传感器轨迹移动控制、探索视觉平面位置i t v 摄像机、位置传感器位置决定、控制距离测距仪移动控制形状线图像传感器物体识别、判别缺陷面图像传感器检查、异常检测听觉声音麦克风语言控制( 人机接口)超声波超声波传感器导航嗅觉气体成分气体传感器、射线传感器化学成分检测味觉味道离子敏感器、p h 计化学成分检测1 4 研究背景1 4 1le e e l4 5 1i e e e l 4 5 1 标准旨在通过定义一整套通用的通信接口，解决不同网络之间的兼容性问题，最终目的是实现各个厂家变送器的互换性和互操作性。在i e e e 协会协同各大公司的鼎力支持和研究之下，目前已形成了一系列应用于不同场合的i e e e l 4 51 标准族( 戎舟，2 0 0 5 ) 。i e e e l 4 51 主要特点是：软件的应用层的可移植性；传感器应用的网络独立性；传感器的互用性，使用即插即用的方案将传感器连接到网络。i e e e l 4 5 1 标准可分为面向硬件的接口与面向软件的接口两大部分。其中软件部分主要由i e e e l 4 5 1 1 和i e e e l 4 5 1 0 这两个标准组成，通过面向对象模型的概念描述了网络化智能变送器的行为，定义了适应于接入不同测控网络的智能变送器软件接口规范；同时定义了一个通用的功能、通信协议和t e d s( 电子数据表格) ，可以加强i e e e l 4 5 1 族系列标准之间的互操作性。硬件部分由i e e e l 4 5 1 2 、i e e e l 4 5 1 3 、i e e e l 4 5 1 4 、i e e l 4 5 1 5 和i e e e l 4 5 1 6 组成，每个子标准针对智能传感器不同的应用背景，比如i e e e l 4 5 1 5 的应用领域是无线传感器，负责构建开放式的无线传感器接口标准( l e ek 2 0 0 0 ) 。i e e e l 4 5 1 x各系列标准尽管是在一起制定的，但它们也是各自相对独立的，总体的关系模式如下图所示：7第1 章引言1 4 5 1 xd e v i c ei 口萄：t r a n s d u c e ra p ln e t w o r kj ln c a po rh 01 牟屡弱霜飘图1 5i e e e l 4 5 1 x 之间的关系n e t w o r k a p i1 4 2o g cs w e2 0 0 5 年，开放地理空间联盟( o g c ，o p e ng e o s p a t i a lc o n s o r t i u m ) 提出了一种新型的传感器w e b 标准( s w e ，s e n s o rw e be n a b l e m e n t ) ，s w e 的目标是能够通过w e b 发现、访问、控制、应用所有类型的接入i n t e m e t 的传感器器资源( 包括硬件资源和数据资源) ，为构建“即插即用 ( , p l u g a n d - p l a y ) 的基于w e b 的传感器网络提供一个标准的基础平台。目前，国内在传感器网络方面也已经有了长足的进步，并且许多传感器网络得到了一定的运用。s w e 共提供了7 种组件( 规范) ，s w e 的体系结构和各服务组件之间的关系如图1 6 所示，并分别简要介绍这7 个组件( m i k eb o t t s ，g e o r g ep e r c i v a u ，c a r lr e e d ，e ta l 。2 0 0 6 ) 。发送请求o b s e r v a t i o n s e n s o 帆客户端返回任务通知告铜告警事件任务请求兰辐一)、返回观测测l 请求传返回任务状态一s r m l j请求传感i竺兰兰：二二二二二二 j 垂蛔器任务l$ e n s o 舭提供者原始观测数据仪器设置图1 6s w e 体系结构a 、观测和测量( o & m ，o b s e r v a t i o n & m e a s u r e m e n t ) ：责传感观测和测量数据描述，o & m 是一个采用x m l 方案的标准模块。s w e 将观测( o b s e r v a t i o n ) 定义第1 章引言为一个带有结果的事件，每个事件包含有一个测定观测值方法和一个标识时间的时间戳。一个观测的结果可以是数字量，也可以是图片形式。b 、传感器建模语言( s e n s o r m l ，s e n s o rm o d e ll a n g u a g e ) ：其作用是对传感器进行描述，包括传感器系统以及传感处理方法，s e n s o r m l 是一个基于x m l 语言来定义标准模块，为传感器的发现、定位、处理等提供必要的可查询信息。c 、变送器标记语言( t m l ，t r a n s d u c e rm a r k u pl a n g u a g e ) ：这是一个采用x m l格式的概念模型，描述传感器系统内部、传感器系统之间交互的信息，为传感网的信息交互提供了统一规范的标准格式。d 、传感规划服务( s p s ，s e n s o rp l a n n i n gs e r v i c e ) ：这是用户与测量环境交互的媒介，其作用是应答用户需求，对用户提交的请求的可行性进行判断，分配具体的传感器任务实现一个互操作的服务平台。e 、传感观测服务( s o s ，s e n s o ro b s e r v a t i o ns e r v i c e ) ：这是用户与传感器数据库的媒介，响应用户的需求，过滤和获取传感测量数据以及系统信息。f 、传感告警服务( s a s ，s e n s o ra l e r ts e r v i c e ) ：其作用是依据给定的条件，判定来自传感器的数据是否构成警告，一旦构成便将它封装为一个告警型通知回馈给用户。g 、w e b 通知服务( w n s ，w 曲n o t i f i c a t i o ns e r v i c e ) ：其作用是发送通知信息，比如单向发送告警通知，或者双向发送观测数据通知信息等。这七个组件规范是s w e 的核心内容，可以看出不同于i e e e l 4 5 1 ，s w e 是偏向应用层的标准，前三项即o & m 、s e m o r m l 和t m l 为传感w e b 提供了构建传感信息模型的方法。后四项即s p s 、s o s 、s a s 和w n s 构成了传感器w e b的功能模型，这些服务向外提供了大量的统一的接口服务，为满足用户需求提供了解决途径和具体的实现方案，包括传感器自动发现、传感器定位、任务分配、测量数据请求、数据获取、数据交互、发布告警通知等的实现( 王建国，2 0 0 8 ) 。s e n s o r m l 是以x m l 为基础的传感器建模语言，是传感器网络具有自制能力和智能化的关键，用户进行自动发现符合需求的传感器需要s e n s o r m l 提供必要的信息，所以它除了要对传感器的硬件属性描述，同时还需要描述传感器的测量精度、位置等软件属性。9第1 章引言传感器i 约束文档l测量li操作者 隶属平台或i网络；：，。_ - - ：l 位置信息；传感数据元l口模型学模型始当蜘官元和历更数据j ：二二i 巍溺毽| 二二图1 7 基本的s e n s o r m l 结构s e n s o r m l 利用九项内容来描述感应器特性，一个基本的s e n s o r m l 结构如图1 7 所示，其中虚线部分为非必要选项，该结构提供的信息包含有传感标识( 提供传感器的名称、d 、类型等信息) 、约束文档( 提供使用的时间、合法性或分类约束等信息) 、传感器的测量、传感器操作者和任务服务、隶属网络或平台、传感器的位置信息、传感器数据元和历史数据、文档数据元和历史数据以及观测位置信息。”1 4 3r t c ( r o b o t i ct e c h n o i o g yc o m p o n e n t ) s p e c i f i c a t i o n该组件规范文档定义了适用于机器人那软件开发领域的一个组件模型和一些重要的基础服务应用，一个l 汀c 为一种所熟知的硬件或软件功能和服务的一个逻辑性的代表。通过不断拓展具有通用目的功能组件的统一建模语言u m l 的功能性，对机器人特定领域的结构和行为设计模式都能支持，从而，r t c 成为构建机器人系统的有力的类似积木的模块。使用者能够将不同的厂家的r t c 组件，更加快速更加柔性的组装成一个机器人应用实体。它包含一个在u m l 中的平台无关模型( p 蹦) ，和在o m gi d l 中的平台相关模型( p s m s ) 。p i m 模型重点关注更高的抽象层或特定领域，p i m 包含以下三个部分：l 、轻量级的r t c ：一个简洁的模型，包含对组件、接口等的概念定义，这部分为后续的组件搭建提供了基础的功能。2 、执行语义：将轻量级的r t c 扩展到对在机器人应用中的关键设计模式的支持，如周期性的采样数据处理，离散事件刺激反应处理，操作模型等。3 、自检：一个a p i 接口，能够检测组件、接口、连接等的运行状态。p s m 提供了实现短延迟、高性能通讯，适合应用于对硬实时有较高要求的组件或应用，应用于大部分组件在网络上分布式的场合，这些组件可能是粗粒度的、i 0第1 章引言更加自主的、对延迟、振动、通讯失败能够容忍的，而不是基于本地通讯的组件。应用的实例包括：在家庭中的多个服务机器人的通讯，在蜂窝网络中的移动电话的音频交换或数据传输。p s m 最终以r t c i d l 文件的形式给出，包含下面三个部分：l 、本地：在同一个设备节点并通过直接的指定对象进行通讯，不需要网络或类似c o r b a 的网络中间件来进行仲裁。2 、轻量级的c c m ( c o r b ac o m p o n e n tm o d e l ) ：大部分的组件都假定相对其他的组件为分布式，他们之间使用基于c c m 的中间件进行通讯。3 、c o r b a - 大部分的组件都假定相对其他的组件为分布式，他们之间使用基于c o i m a 的中间件进行通讯。1 - s 本文主要内容本文给出了机器人感知系统的统一设计模型，以模块化的思想构建感知系统，改变传统僵化无弹性的系统开发模式，并将该模型应用到机器人足部感知系统中，充分展示模块化组件的整体的和谐以及个体的灵活。文章分为六个部分，内容如下：第一部分对机器人、机器人传感器以及机器人感知系统的定义、研究背景及发展趋势进行了论述，提出了机器人感知系统的开发存在的问题，最后说明了本文的选题依据、研究目的及研究内容。第二部分抽象出机器人感知系统的层次逻辑结构，并根据人体神经相同的组织结构给出了仿生机器人感知系统结构模型，为后续的感知系统的模块化设计给出了模型规范。第三部分在机器人感知系统模型的基础上，对感知系统的硬件模块进行了详细的描述，说明了节点模块的设计方法。第四部分为机器人感知系统的交互作用指定了语意规范，给出了机器人感知系统模块的数据描述，采用i d l ( 接口定义语言) 定义了感知系统的用户接口函数。第五部分以机器人足部感知系统为应用对象，对足部感知系统的各个模块进行了详细的设计，包括传感器的数据描述、节点的数据描述、通信协议、用户接口a p i 函数的定义等。第六部分总结了全文，并指出有待进一步开展的工作。第2 章机器人感知系统模型第2 章机器人感知系统的模型机器人感知系统其实也跟自然界的生物一样，有其生命力，愈有弹性者，在面对环境的变化与挑战时，愈能适应新的环境，就愈加显示出旺盛的生命力。这就是所谓的“适者生存 的自然法则。于是，我们可虚心地去效仿自然，而努力创造出具有生命里的系统，并且拥有自然之美。模型就是一个系统的抽象表现，包含一组明确定义的基础概念，以及这些概念之间的关系，即这些基础概念根据明确定义的规则来组合成为较高层次的概念或系统，简单而言，模型的基本元素包括一组基本概念以及一组关系或规则。借助这些元素来表达出系统的架构。由于人们对基础元素有了共同的认知，所以整个系统架构的描述( 即系统模型) 也就成为人与人之间可以认知和理解的东西，采用共同的模型时就易于沟通，易于互相合作了。为复杂系统建构模型是因为我们难以了解整个系统的各个层面。人们对于复杂事物的理解，有其先天上的限制。即使面对一般的系统，大部分人还是不敢拍胸脯保证能完全了解它。此情况下，模型的建立可以协助开发人员进一步了解系统。在建立模型的过程中，必须遵守一些规则、运用一些技巧，才能建立出理想的模型。在此介绍两个基本原则：1 、从各个不同的角度或视图进行分析，然后建立模型。2 、借助模型来详述与传达人们的期望，并加以融合。2 1 机器人感知系统架构机器人感知系统从逻辑上来看，可以分为物理层、应用服务层、应用开发层以及应用层这四个层次，其结构如图2 1 所示。物理层也叫做传感器层，负责原始信号的采集，获取物理世界的信息：应用服务层把采集到的信息进行局部功能的封装，成为具有特定服务功能的模块，为更高层的开发提供服务：应用开发层借助第三方开发工具、算法等对下层的功能模块进一步集成；应用层面向最终的用户，针对具体应用定制自己的系统。1 3第2 蕈机器 感知系统模型应刖催害密赛一w ，r m * ( 圆园囤囝圈用服务层物理层图2l 机器 感知系统层次结构，一，一，一i ；7 7 i 孓j 薯囊- 豁阐闻4 霄需慝陌謦陌型第2 章机器人感知系统模型机器人感知系统各模块之间的协作模型采用的是纵向上的树型合作和横向的水平型合作组合方式，其框架结构如图2 2 所示。2 2 感知系统模块化设计的模型2 2 1传统机器人感知系统存在的问题传统的机器人感知系统的开发没有专门的体系结构模型指导，开发商的路线都是自主研发，并为特定应用服务，大多数是无法分割的僵硬模块，不能满足用户多样性的需求，对于纷繁复杂的各类传感器的接入也是风格迥异，并且受到相关总线协议的限制，研发工作存在大量低水平的简单重复，无法对相关技术进行集成，从而形成一股合力的作用。总之，传统机器人感知系统的设计在可靠性、实时性、可重用性及可配置性方面都存在严重的不足。2 2 2 人体神经感知系统模仿人类的神经系统构建机器人感知系统的模块化设计的模型，从网络的角度来分析，人体神经系统( 如图2 3 ) 是一个分布式传感器网络( b a k e r n ，2 0 0 5 ) ，这个网络的最高层是大脑，中枢神经系统中比较高级的具有传导功能，负责身体各部分信息的汇总与传输，整合不同时间和空间的信号，还负责大脑对肢体的控制信息传输，比较低级些的中枢神经完成一些基本的反射功能。周围神经系统是中枢神经系统以外的神经组织总称，周围神经系统一端与中枢神经系统相连，另一端通过各种末梢装置与身体其它器官和系统相联系，各器官负责局部信息的汇集、集成与融合，以及局部非条件反射的处理和条件反射的执行。第2 章机器人感知系统模型磊习l ，一雨磊习【- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一二一一 、l 味觉神经系统ll 听觉神经系统i 视觉神经系统l 触觉神经系统其他li ji ，j1 j 【，j _ _ j7 一二：二二二二二希9 爝圈图2 3 体神经系统结构模型2 3 机器人感知系统模型结构仿照人体神经系统的结构，仿生的机器人感知系统( 如图24 ) 也采用类似的分层网络组织结构，最上层是人直接操纵的决荒层完成类似人体大脑的决策功能；中间层负责底层节点信息收集融合与集成、上层决策信息执行与下传、节点附近信息收集以及本层节点信息向上层节点的高速实时传输，类似脊柱、器官与传导神经系统的功能，中间层节点根据需要可以是只有单一智能的模块，也可以是功能强大的模块；底层节点相当于周围神经系统，直接与物理世界接触，采用嵌入式处理器架构实现对现场模拟信号的采集，类似人体体表皮肤以及其他感觉器官的功能作为机器人的感官部分。中间层节点之间与底层节点之间是树型合作，同层次节点之间水平型合作。统一的传感器数据描述屏蔽了最底层传感器的信息，为传感器的即插即用提供了基础：另外统一的用户接口给用户带来了极大的方便，促进新产品及时上市。这两个规范为机器人感知系统层次间的合作提供了便利。该模型形成了一个优秀的软、硬件整合的设计模型。第2 章机嚣人盛知系统模型圈2 4 机器人感知系统模型i 善毫慕、| |毒，专f f 。濂蕊兰煮溉。1滁要嗲镪i j第2 章机器人感知系统模型2 3 1节点模块节点模块是整个系统的物理平台，是物理世界到信息世界转换的智能装置，是对象之间交互作用的通道，将物理层次的传感器连接到网络层，支持尽量多种类的传感器的接入，当然节点还得考虑节点之间的互操作。2 3 2 数据描述模块数据描述模块是以资源为中心的逻辑平台，是数据转变为信息的辅助信息，用户之间对数据、信息的交互、理解和控制必须建立在数据表达标准化描述基础上，通俗来讲便是定义机器人感知系统的交互“语言”，数据描述用于描述网络化测控系统中传感器特性参数、数据传输协议和格式等重要内容。内容需要包括传感器标识、通道数量、通道类型、通道采样周期、最大传输率、测量范围、数据编码格式、实际测控数据传输所采用的基础协议、校准多项式函数，以及其它传感器静动态特性参数等。为通信做好铺垫，通信与数据描述之间的关系可以这样描述，前者是动态的传输机制，后者是静态的描述语言；前者通过后者引导设备后续数据交换，后者需要前者进行传输承载。2 3 3 用户接口模块一个系统的功能通常表现在它的接口上，用户接口模块提供给用户获取信息的函数，传统的系统设计大都数带着计算机技术的眼光看待整个相关的事情，一直忽略用户的使用感受，用户接口模块的设计关系着整个系统优劣，也与用户的期待和满意度密切相关。虽然用户使用系统的场景会有差异，但是若用户的目标是相同的，那么场景会极为相似，这些相似的场景的集合便是接口类，具体的实现便是每个场景，用户接口模块设计的任务便是抽象出这些通用的接口，并以友好的方式提供给用户。2 3 4 统一的协议规范统一的协议规范是对信息传递的约束，任何交互的进行都必须有双方通信方式的约定，这里的协议是针对机器人感知系统底层采用的总线构成的主一从式网络，不是通常意义上的计算机网络系统的网络通信协议( 如o s i 协议、t c p i p协议) 。通信协议视为数据交换而建立的标准，从o s i 网络模型的角度来看，现场总线网络一般只实现了第1 层( 物理层) 、第2 层( 数据链路层) ，它们的对应关系如图2 6 所示，这给具体应用带来了不少问题，比如数据帧的丢失、混乱、实时性等，需要高层协议来辅助。这里的通信协议比较简单，参考o s i 遵循三个层次的协议：物理层规范了物理连接、电气特性等，数据链路层规1 8第2 章机器人感知系统模型定每帧的构成、差错控制等；这两层实现了字符的传输，但至于某个字符表示什么含义，要求对方作什么样的回答还需要进一步约定，这种约定是建立在物理层和数据链路层之上的，这里不妨称之为应用层协议。对于底层测控的主从式网络来讲，拥有这三层协议已经足够，通信各方可以用不同机器、不同的编程语言，只要遵守一致的通信协议。i s o o s i现场总线模型协议应用层表达层会话层!：传输层j网络层，数据链路层：数据链路层：物理层：，物理层j图2 6o s i 与部分现场总线通信模型的对应关系物理层：由于目前的总线方式各大厂商各自为政，并在特定的应用领域显示了各自的优势，显示了较强的生命力，很难进行优胜劣汰的选择，所以这里对该层没有限定用哪种总线，使用标准的i d l ( i n t e r f a c ed e f m el a n g u a g e ) 对各种常用的电气接口、协议( 如c a n 、u s b 、r s 2 3 2 、1 3 9 4 等) 进行定义描述，包括接口的物理引脚连接、电平( 如1 y r l ) 、信号触发方式、传送方式、传送速率、校验方式等进行统一的描述。数据链路层：物理层采用的总线方式直接决定了数据链路层的协议，所以该层与物理层是不可分割的，他们的结合实现的字符的传送，具体字符的含义交给更高层来处理。应用层：该层包括主机的报文格式以及从机的应答报文格式，主机的报文又分询问报文和设置报文这两种，其中询问报文周期性的发出，设置报文只有在需要的时候发出，被寻址的从机收到任何一个报文后，回送一个报文。1 9第2 章机器人感知系统模型以上可以看出机器人感知系统的通信协议其实主要便是应用层的通信协议，在数据链路层报文的基础上进行各报文数据的定义，构成该层的报文，包头得完成字符意义解释的功能。2 4u m l 机器人感知系统设计2 4 1u m l 概述建模语言( m o d e l i n gl a n g u a g e ，简称m l ) 是一种设计语言，人们借助