面向迎賓機器人組件化系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、近年來，機器人技術已經(jīng)快速向非工業(yè)領域應用延伸，其中迎賓機器人作為服務機器人家族中的一個重要成員，由于其活動空間大，被廣泛應用于迎賓、導游、導購、安保等領域。機器人面向動態(tài)非結構環(huán)境、提供的服務種類多樣，并且需要集成不同的功能組件以完成特定的任務，這使迎賓機器人具有極大的靈活性和不確定性。在國際范圍內，雖然研究人員已經(jīng)開發(fā)出多款迎賓機器人樣機，但由于缺乏組件化、標準化技術支持，使得迎賓機器人系統(tǒng)開發(fā)成本高、設計周期長、擴展性差，難以真正

2、普及。機器人技術中間件(Robot technology middleware，RTM)能夠有效屏蔽操作系統(tǒng)、開發(fā)語言和網(wǎng)絡協(xié)議的差異，為機器人系統(tǒng)開發(fā)提供多種通信和服務機制，是解決迎賓機器人組件化設計、消除機器人系統(tǒng)異構性問題的有效途徑之一，目前已成為國際機器人研究的熱點領域。但迎賓機器人在采用RTM實施組件化設計的過程中也出現(xiàn)了新的問題：(1)在基于RTM的機器人系統(tǒng)中，組件間通過調用契約化的功能接口實現(xiàn)互操作，一旦任務序列確定，提

3、供服務的組件集也隨之確定，對于非結構環(huán)境中的作業(yè)的迎賓機器人來說，缺乏動態(tài)協(xié)同管理組件的能力；(2)系統(tǒng)內部各個組件的行為活動具有異步、并發(fā)等特性，隨著系統(tǒng)內部組件的數(shù)量不斷增多，協(xié)調控制全部組件可靠的完成工作將變得越來越復雜，需要采用形式化建模的方法對機器人系統(tǒng)進行描述，通過精確的數(shù)學模型描述系統(tǒng)內部組件的行為關系，分析預測系統(tǒng)在運行過程中的各種情況，保證迎賓機器人組件化系統(tǒng)(Guide Robot Component System)

4、的穩(wěn)定運行。
　　 本論文針對GR組件化系統(tǒng)在實際應用中的問題和要求，跟進機器人系統(tǒng)組件化設計的發(fā)展趨勢，綜合機器人中間件、Petri網(wǎng)形式化建模等技術，研究迎賓機器人組件化系統(tǒng)的設計開發(fā)的方法和理論，設計開發(fā)出了GR組件化原型系統(tǒng)，并進行了相關的實驗驗證。
　　 論文的主要研究內容如下：
　　 1) GR組件化系統(tǒng)協(xié)同仿真控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)：針對GR組件化系統(tǒng)多組件靈活集成的任務需求，研制了以CORBA為軟總

5、線、以機器人技術中間件(RTM)為基礎構架的迎賓機器人組件化協(xié)同仿真控制系統(tǒng)，開發(fā)出了GR組件化原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人在智能餐廳環(huán)境中的迎賓、顧客引導、物品送遞等功能。
　　 2)基于市場機制的機器人組件動態(tài)協(xié)調控制：提出了一種基于市場招投標機制的模塊協(xié)調控制方法，負責動態(tài)環(huán)境下GR在任務執(zhí)行過程中因為外界環(huán)境、組件部分失效或通信阻塞等情況的應急處理，保障系統(tǒng)可靠運行。
　　 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GR組件化系統(tǒng)內部具有異步、并發(fā)的組件行為的特點，為保障系統(tǒng)的可靠運行，提出基于MPN理論的GR組件化系統(tǒng)任務模型，并給出了組件化Petri網(wǎng)針對GR系統(tǒng)的可達性、死鎖特性的分析方法，用以分析和預測系統(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理論應用于以機器人中間件為基礎的GR組件化系統(tǒng)中，有效地分析和預測了機器人系統(tǒng)內