唐惠康，鄭寶林

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450046)

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基于SingalR和Web的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程編隊(duì)控制研究

唐惠康，鄭寶林

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450046)

多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，但是在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用并不多。為了提高采摘機(jī)器人的智能化程度及作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)同實(shí)時(shí)控制，提出了一種基于Web的多機(jī)器人遠(yuǎn)程編隊(duì)控制系統(tǒng)。針對(duì)當(dāng)前Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序技術(shù)的不足，構(gòu)建了一種基于SingalR的Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架，該框架可以實(shí)現(xiàn)邏輯和動(dòng)態(tài)的執(zhí)行任務(wù)，并將實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)定時(shí)地發(fā)送到所有連接的客戶端。結(jié)合多智能體網(wǎng)絡(luò)對(duì)采摘機(jī)器人的編隊(duì)控制進(jìn)行了研究，根據(jù)具體的多機(jī)器人系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了多機(jī)器人編隊(duì)控制的規(guī)劃路徑，計(jì)算了多機(jī)器人控制的殘差精度，最后對(duì)多采摘機(jī)器人的工作效率進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了基于SingalR的Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架在多采摘機(jī)器人編隊(duì)控制中使用的可行性。

多機(jī)器人；協(xié)同控制；編隊(duì)控制；Web框架；SingalR；采摘

0 引言

自20世紀(jì)80年代末以來(lái)，基于多智能體系統(tǒng)理論研究多機(jī)器人協(xié)作受到了普遍的關(guān)注，從軍事領(lǐng)域到工業(yè)與民用領(lǐng)域，從星際探險(xiǎn)到海底考察，從比賽到教學(xué)，均取得了不同程度的進(jìn)步；但多機(jī)器人協(xié)同編隊(duì)控制在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用卻很少。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于群體機(jī)器人系統(tǒng)的研究正處于初始階段，其技術(shù)還未成熟，對(duì)這方面的研究和報(bào)道也比較少，沈陽(yáng)自動(dòng)化所的機(jī)器人開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室是對(duì)多機(jī)器人協(xié)同控制研究比較早的單位。本研究將多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)應(yīng)用到了果實(shí)采摘作業(yè)過(guò)程中，并通過(guò)基于SingalR的Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架對(duì)多機(jī)器人進(jìn)行編隊(duì)控制，以期提高采摘機(jī)器人的作業(yè)效率。

1 多機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)

國(guó)內(nèi)外對(duì)于多機(jī)器人編隊(duì)控制的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面的還比較少。美國(guó)Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Lynne E.Parker博士在多機(jī)器人協(xié)同控制方面做了大量研究，其工作主要是基于Agent智能控制技術(shù)，包括多Agent協(xié)同作業(yè)、自主Agent體系結(jié)構(gòu)、多Agent通訊等。其團(tuán)隊(duì)研究的Coop-erative Robotics實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了多機(jī)器人感知和推理能力，可在未知環(huán)境中執(zhí)行動(dòng)態(tài)變化任務(wù)，如圖1所示。

圖1 Cooperative Robotics實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of Cooperative Robotics

對(duì)于多機(jī)器人的協(xié)同控制是將機(jī)器人作為智能體，使它們具有協(xié)同作業(yè)的能力，按照系統(tǒng)中多智能體之間的相對(duì)關(guān)系，一般可以將多機(jī)器人控制系統(tǒng)分為以下3種結(jié)構(gòu)。

1.1 完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

多機(jī)器人編隊(duì)控制的完全型網(wǎng)絡(luò)采用的是對(duì)等和局部化通信，如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)的智能體都有通信和控制模塊，每個(gè)機(jī)器人都由鏈路進(jìn)行連接。因此，對(duì)于復(fù)雜任務(wù)來(lái)說(shuō)，完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作業(yè)效率比較低，是一種無(wú)組織的狀。

圖2 完全型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 The complete network structure

1.2 層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

層次型網(wǎng)絡(luò)將采摘機(jī)器人智能個(gè)體分為不同的層次，如圖3所示。在同一個(gè)層次上的機(jī)器人不能夠進(jìn)行通信，而是需要請(qǐng)求上一層來(lái)完成；上一層機(jī)器人負(fù)責(zé)下一層機(jī)器人的決策和控制。層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中不需要保留所有的機(jī)器人信息，只需要保存下一層機(jī)器人的信息。該網(wǎng)絡(luò)在通信方面不如完全型網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)略，但是結(jié)構(gòu)層次調(diào)理，便于多機(jī)器人的管理。

圖3 層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The hierarchical network structure

1.3 聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)是按照機(jī)器人間距離的遠(yuǎn)近和功能，將機(jī)器人劃分為不同的機(jī)器人聯(lián)盟，如圖4所示。在各個(gè)聯(lián)盟內(nèi)部都有一個(gè)協(xié)助的智能機(jī)器人個(gè)體，負(fù)責(zé)不同的聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)之間的通信，不同聯(lián)盟之間的通信是對(duì)等的，其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系同完全網(wǎng)絡(luò)型類似。

圖4 聯(lián)盟型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The alliance network structure

多智能體協(xié)調(diào)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行協(xié)調(diào)合作任務(wù)的基礎(chǔ)。本研究采用聯(lián)盟型的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)采摘機(jī)器人都裝有中央處理器，獲得初始數(shù)據(jù)后通過(guò)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將值返回到Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架。

2 實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架

SingalR是一組能夠?qū)崿F(xiàn)Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的組件組合，它將服務(wù)器端和客戶端之間的協(xié)議進(jìn)行抽象化，支持HTML5 WebSocket協(xié)議和Comet的Ajax Long Pooling協(xié)議，可以根據(jù)用戶端和服務(wù)器端的需求配置不同的環(huán)境，如配置不同的瀏覽器版本、操作系統(tǒng)類型和用戶傳輸協(xié)議等，將其應(yīng)用在采摘機(jī)器人的編隊(duì)控制中，將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。

圖5為一個(gè)采摘機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中的躲避障礙物的流程。其避障的原理主要是通過(guò)超聲波測(cè)距：當(dāng)遇到障礙物時(shí)，可以測(cè)算出距離障礙物的距離，當(dāng)距離較近時(shí)可以自行轉(zhuǎn)彎，躲避障礙物。在多機(jī)器人編隊(duì)控制中，當(dāng)采摘機(jī)器人同時(shí)測(cè)得障礙物時(shí)，需要通過(guò)控制系統(tǒng)明確協(xié)同中不同職能機(jī)器人個(gè)體之間的控制關(guān)系，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖5 采摘機(jī)器人避障流程Fig.5 The process of obstacle avoidance for harvesting robot

圖6 多采摘機(jī)器人編隊(duì)避障流程Fig.6 The process of of obstacle avoidance for multi picking robot the formation

多采摘機(jī)器人的編隊(duì)避障控制主要體現(xiàn)在協(xié)同控制和推理機(jī)制上，控制系統(tǒng)的頂層是中央處理器，其功能包括避障模塊、多移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃及任務(wù)規(guī)劃；通過(guò)中央處理器進(jìn)行協(xié)同控制，而底層是受協(xié)同控制的采摘機(jī)器人。中央處理器共有3個(gè)系統(tǒng)組成，包括模型庫(kù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中得到事實(shí)的推理，可以決定模型庫(kù)系統(tǒng)中使用哪些模型參數(shù)；獲得初始數(shù)據(jù)后將值返回到Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)同控制，如圖7所示。

圖7 基于Web控制的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)模型Fig.7 The model of real time control system based on Web control

基于Web和SingalR的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架主要包括遠(yuǎn)程瀏覽器端、SingalR組件、Web網(wǎng)站、Socket服務(wù)器端和3個(gè)采摘機(jī)器人。瀏覽器端可以通過(guò)Web服務(wù)器回傳HTML頁(yè)，執(zhí)行嵌入式的Applet程序，并建立起Socket連接，從而實(shí)現(xiàn)了命令的直接輸入和結(jié)果圖像的顯示和輸出。Web服務(wù)器的功能主要是負(fù)責(zé)發(fā)布嵌入了Socket客戶端程序的網(wǎng)頁(yè)；而Socket服務(wù)器的功能主要是負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶端的強(qiáng)求和接受命令，實(shí)現(xiàn)了打開(kāi)瀏覽器就能對(duì)多個(gè)采摘機(jī)器人進(jìn)行控制的功能。

3 多采摘機(jī)器人編隊(duì)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證SingalR和Web對(duì)多采摘機(jī)器人實(shí)時(shí)編隊(duì)控制的可行性，采用多機(jī)器人測(cè)試的方法進(jìn)行了機(jī)器人編隊(duì)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)。首先測(cè)試了兩個(gè)機(jī)器人編隊(duì)的路徑規(guī)劃能力，其測(cè)試場(chǎng)景如圖8所示。

圖8 雙機(jī)器人編示意圖Fig.8 The diagram of dual robots

為了簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，將采摘機(jī)器人以兩個(gè)移動(dòng)式機(jī)器人R1和R2代替，通過(guò)測(cè)試其移動(dòng)路徑來(lái)完成規(guī)劃能力的測(cè)試。

圖9表示雙采摘機(jī)器人編隊(duì)的路徑規(guī)劃測(cè)試結(jié)果。圖9中的障礙物可以任意擺放，測(cè)試過(guò)程主要測(cè)試雙機(jī)器人的協(xié)同路徑規(guī)劃能力。由規(guī)劃結(jié)果可以看出：兩個(gè)機(jī)器人的路徑協(xié)同性較好，可以無(wú)相互干擾的到達(dá)指定果實(shí)目標(biāo)位置。

圖9 雙機(jī)器人編隊(duì)路徑規(guī)劃測(cè)試Fig.9 The path planning test of dual robots formation

圖10表示多機(jī)器人編隊(duì)控制的誤差測(cè)試結(jié)果。為了驗(yàn)證多機(jī)器人協(xié)同控制能力，本實(shí)驗(yàn)選取了5個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人。測(cè)試結(jié)果表明：5個(gè)機(jī)器人在基于Web和SingalR實(shí)時(shí)協(xié)同控制編隊(duì)的作用下，在30步之內(nèi)便可以將誤差降低為接近0，控制精度較高。

圖10 機(jī)器人控制誤差測(cè)試Fig.10 The error test of robot control

圖11表示多采摘機(jī)器人編隊(duì)控制的采摘效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在測(cè)試過(guò)程中，按照采摘機(jī)器人到達(dá)指定采摘位置來(lái)表示采摘時(shí)間，采摘目標(biāo)位置從0～30個(gè)變化，通過(guò)測(cè)試得到了機(jī)器人采摘時(shí)間隨采摘目標(biāo)個(gè)數(shù)的變化曲線。由曲線結(jié)果可以看出：隨著采摘目標(biāo)個(gè)數(shù)的增多，采摘時(shí)間由少到多依次為3個(gè)采摘機(jī)器人、雙采摘機(jī)器人和單采摘機(jī)器人。其中，3個(gè)采摘機(jī)器人協(xié)同作業(yè)用時(shí)最少，由此表明：3個(gè)采摘機(jī)器人在協(xié)同編隊(duì)的控制下，可以有效地提高機(jī)器人的作業(yè)效率。

圖11 機(jī)器人采摘效率測(cè)試結(jié)果Fig.11 The test results of robot picking efficiency

4 結(jié)論

基于SingalR和Web實(shí)時(shí)應(yīng)用程序框架，將多機(jī)器人編隊(duì)控制應(yīng)用到了采摘機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并根據(jù)具體的多機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將采摘機(jī)器人以兩個(gè)移動(dòng)式機(jī)器人R1和R2代替，測(cè)試結(jié)果表明：兩個(gè)機(jī)器人的路徑協(xié)同性較好，可以無(wú)相互干擾的到達(dá)指定果實(shí)目標(biāo)位置。對(duì)多機(jī)器人編隊(duì)控制的誤差測(cè)試結(jié)果表明：在30步之內(nèi)便可以將誤差降低為接近0，控制精度較高。對(duì)多采摘機(jī)器人編隊(duì)控制的采摘效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明：3個(gè)采摘機(jī)器人協(xié)同作業(yè)用時(shí)最少，多機(jī)器人編隊(duì)可以有效地提高采摘機(jī)器人的作業(yè)效率。

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Research on Remote Formation Control of Picking Robot Based on SingalR and Web

Tang Huikang ， Zheng Baolin

(Henan Polytechnic, Zhengzhou 450046,China)

The coordination of multiple mobile robots is an important direction of the development of the robot technology, but not many applications in agriculture, in order to improve the picking robots, improve work efficiency, multi robot collaborative real-time control, and puts forward a kind of control system based on web remote robot formation. In view of the current real-time web application technology, build the a SingalR the real-time web application framework based on, the framework can achieve dynamic logic, and execution of the task and real-time update of data regularly sent to all the connected clients. Combining the multi-agent networks, the picking robot formation control is studied, according to the specific of the multi robot system, experimental test, the formation control of multi robot path planning, to calculate the residual accuracy of multi robot control, and finally tested on more than picking the work efficiency of the machine, verification based on SingalR real-time web application framework in more than picking the feasibility of using robots in formation control.

multi robot; cooperative control; formation control; web framework; singalR; picking

2016-01-26

國(guó)家林業(yè)局“948計(jì)劃”項(xiàng)目(2014-4-28)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21376241)；吉林省科技廳項(xiàng)目(20130206054N Y)

唐惠康(1980-), 男，吉林磐石人，講師，碩士，(E-mail)thk_hp@sina.com。

S24; TP368.5

A

1003-188X(2017)03-0237-05