面向迎賓機(jī)器人組件化系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、近年來，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)快速向非工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用延伸，其中迎賓機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人家族中的一個(gè)重要成員，由于其活動(dòng)空間大，被廣泛應(yīng)用于迎賓、導(dǎo)游、導(dǎo)購、安保等領(lǐng)域。機(jī)器人面向動(dòng)態(tài)非結(jié)構(gòu)環(huán)境、提供的服務(wù)種類多樣，并且需要集成不同的功能組件以完成特定的任務(wù)，這使迎賓機(jī)器人具有極大的靈活性和不確定性。在國際范圍內(nèi)，雖然研究人員已經(jīng)開發(fā)出多款迎賓機(jī)器人樣機(jī)，但由于缺乏組件化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)支持，使得迎賓機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)成本高、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、擴(kuò)展性差，難以真正

2、普及。機(jī)器人技術(shù)中間件(Robot technology middleware，RTM)能夠有效屏蔽操作系統(tǒng)、開發(fā)語言和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的差異，為機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)提供多種通信和服務(wù)機(jī)制，是解決迎賓機(jī)器人組件化設(shè)計(jì)、消除機(jī)器人系統(tǒng)異構(gòu)性問題的有效途徑之一，目前已成為國際機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但迎賓機(jī)器人在采用RTM實(shí)施組件化設(shè)計(jì)的過程中也出現(xiàn)了新的問題：(1)在基于RTM的機(jī)器人系統(tǒng)中，組件間通過調(diào)用契約化的功能接口實(shí)現(xiàn)互操作，一旦任務(wù)序列確定，提

3、供服務(wù)的組件集也隨之確定，對(duì)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的作業(yè)的迎賓機(jī)器人來說，缺乏動(dòng)態(tài)協(xié)同管理組件的能力；(2)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組件的行為活動(dòng)具有異步、并發(fā)等特性，隨著系統(tǒng)內(nèi)部組件的數(shù)量不斷增多，協(xié)調(diào)控制全部組件可靠的完成工作將變得越來越復(fù)雜，需要采用形式化建模的方法對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行描述，通過精確的數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)內(nèi)部組件的行為關(guān)系，分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的各種情況，保證迎賓機(jī)器人組件化系統(tǒng)(Guide Robot Component System)

4、的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 本論文針對(duì)GR組件化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的問題和要求，跟進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)組件化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，綜合機(jī)器人中間件、Petri網(wǎng)形式化建模等技術(shù)，研究迎賓機(jī)器人組件化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)的方法和理論，設(shè)計(jì)開發(fā)出了GR組件化原型系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1) GR組件化系統(tǒng)協(xié)同仿真控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：針對(duì)GR組件化系統(tǒng)多組件靈活集成的任務(wù)需求，研制了以CORBA為軟總

5、線、以機(jī)器人技術(shù)中間件(RTM)為基礎(chǔ)構(gòu)架的迎賓機(jī)器人組件化協(xié)同仿真控制系統(tǒng)，開發(fā)出了GR組件化原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在智能餐廳環(huán)境中的迎賓、顧客引導(dǎo)、物品送遞等功能。
　　 2)基于市場(chǎng)機(jī)制的機(jī)器人組件動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制：提出了一種基于市場(chǎng)招投標(biāo)機(jī)制的模塊協(xié)調(diào)控制方法，負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)環(huán)境下GR在任務(wù)執(zhí)行過程中因?yàn)橥饨绛h(huán)境、組件部分失效或通信阻塞等情況的應(yīng)急處理，保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
　　 3)基于模塊化Petri網(wǎng)(Modular

6、Petri Net，MPN)的GR組件化系統(tǒng)形式化建模與分析：針對(duì)GR組件化系統(tǒng)內(nèi)部具有異步、并發(fā)的組件行為的特點(diǎn)，為保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，提出基于MPN理論的GR組件化系統(tǒng)任務(wù)模型，并給出了組件化Petri網(wǎng)針對(duì)GR系統(tǒng)的可達(dá)性、死鎖特性的分析方法，用以分析和預(yù)測(cè)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)，為GR系統(tǒng)組件化協(xié)同編程的合理性提供保障。
　　 本論文將MPN理論應(yīng)用于以機(jī)器人中間件為基礎(chǔ)的GR組件化系統(tǒng)中，有效地分析和預(yù)測(cè)了機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)