周佳峰 曹偉

摘要：移動機(jī)器人在生產(chǎn)生活當(dāng)中日益發(fā)揮重要作用，但移動機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用卻比較困難，主要存在兩個問題：一是軟件模塊化和重用性，二是行為協(xié)同控制模型的理論支撐。針對上述問題，融合了已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界取得廣泛應(yīng)用的開源機(jī)器人軟件平臺一機(jī)器人操作系統(tǒng)（ Robot Operaing System，ROS），以及多主體理論中，支撐主體內(nèi)部行為協(xié)同機(jī)制的反應(yīng)式包容模型（ Subsumption Architecture），設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個移動機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架?；跈C(jī)器人操作系統(tǒng)底層機(jī)制，把包容模型的基本控制元件封裝成API，在功能單元內(nèi)部提供基于有限狀態(tài)機(jī)的開發(fā)模板，在功能單元之間提供松散耦合的通信機(jī)制，并且提供了基于框架的應(yīng)用開發(fā)的模型設(shè)計方法學(xué)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法學(xué)。用戶使用本文框架開發(fā)移動機(jī)器人，因?yàn)榭蚣馨寻菽Ｐ椭械年P(guān)鍵控制元件封裝成API，使得用戶不用了解復(fù)雜的控制模型理論以及底層模塊執(zhí)行機(jī)制和通信機(jī)制，并且可以重用機(jī)器人操作系統(tǒng)提供的開源軟件包，幾乎沒有額外的學(xué)習(xí)代價，十分地方便高效。通過框架研究并且開發(fā)了具有三個行為層的自主漫游機(jī)器人以及具有六個行為層的安保巡邏機(jī)器人，在仿真器和實(shí)際場景中設(shè)置不同地圖環(huán)境，進(jìn)行機(jī)器人行為實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了框架的易用性、可靠性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：多主體理論;包容模型;機(jī)器人操作系統(tǒng);應(yīng)用開發(fā)框架;安保巡邏機(jī)器人

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

移動機(jī)器人在移動中執(zhí)行任務(wù)，既可以通過人工指揮，又可以運(yùn)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面向特定應(yīng)用場景的自主性任務(wù)執(zhí)行。移動機(jī)器人在現(xiàn)代社會中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，融人到了生產(chǎn)和生活的眾多方面。移動機(jī)器人可以替代人類執(zhí)行各種操作，尤其是危險作業(yè)，災(zāi)難救援機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、安保機(jī)器人、消防機(jī)器人、核泄漏事故檢測機(jī)器人等都是移動機(jī)器人的代表性應(yīng)用[1-5]。但是長期以來，為移動機(jī)器人開發(fā)應(yīng)用軟件比較困難，主要是存在以下兩個方面的問題：

（1）不同公司和科研院所開發(fā)的機(jī)器人功能模塊互不兼容，機(jī)器人應(yīng)用的軟件重用性難以被保證，機(jī)器人開發(fā)者想要開發(fā)一個應(yīng)用，往往要從底層的機(jī)器人驅(qū)動開始，耗費(fèi)了極大的工作量;

（2）缺乏對于移動機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)的理論支撐，在機(jī)器人的行為模塊被開發(fā)出來之后，如何協(xié)調(diào)機(jī)器人的這些行為模塊，從而針對不同的應(yīng)用場景完成不同的任務(wù)。

針對上述第一個機(jī)器人軟件可重用性的問題，近些年，一些機(jī)器人軟件平臺被開發(fā)了出來。OROCOS[6]是一個開源的機(jī)器人控制軟件平臺，通過無鎖編程（lock-free programming）技術(shù)，可以基于OROCOS開發(fā)實(shí)時性應(yīng)用。MRDS（ MicrosoftRobotics Developer Studio）[7]是微軟開發(fā)的機(jī)器人軟件平臺，采用微軟的基于.NET技術(shù)的編程環(huán)境。OPRoS[8]是由韓國開發(fā)小組設(shè)計的一個基于組件的開源軟件平臺，它整合了IDE開發(fā)工具、測試工具等，具有易用性。OpenRTM-aistc9]是基于RT中間件開發(fā)的機(jī)器人軟件平臺，基于RTC （RT-compo-nents）思想，其控制結(jié)構(gòu)是分布式的。上述平臺提供了機(jī)器人軟件模塊化機(jī)制，但是基本沒有活躍的用戶群體，甚至有些平臺沒有開源社區(qū)，可重用的代碼包很少，對于機(jī)器人軟件的重用支持的差。機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System）[10]是一個開源的機(jī)器人軟件平臺，具有活躍的軟件社區(qū)，全世界數(shù)以千計的程序員為其貢獻(xiàn)了豐富的可以被重用的開源代碼包。ROS開發(fā)的初衷就是鼓勵程序員的合作式開發(fā)和軟件重用。所以，ROS可以用來解決移動機(jī)器人開發(fā)面臨的第一個軟件模塊化和可重用的問題。

針對第二個機(jī)器人行為協(xié)調(diào)理論模型的問題，很多學(xué)者展開了這方面的研究。運(yùn)動模式（ Motor-Schema）cll]方式為輸入的各個行為賦予權(quán)值，輸出的行為是所有輸入行為的加權(quán)平均，但是這種模型采用中心仲裁方式，不具有魯棒性?；诹憧臻g的機(jī)器人行為協(xié)同方式[12]，可以利用行為之間在不同維度的映射關(guān)系，整合成機(jī)器人的整體行為，但是該種方法同樣由于其對中心計算節(jié)點(diǎn)的依賴性，缺乏魯棒性。在多主體理論當(dāng)中，基于行為的反應(yīng)式模型可以通過松散耦合的行為交互，構(gòu)建智能主體，包容模型[13]是其典型代表，基于分層行為控制的思想，協(xié)同機(jī)器人行為，構(gòu)建機(jī)器人智能，具有魯棒性。

近年來，研究者針對上述問題開發(fā)了一些典型的機(jī)器人編程框架，SMACH[14]框架采取有限狀態(tài)機(jī)的思想，解決移動機(jī)器人行為協(xié)同，但是這種方法的缺點(diǎn)就是魯棒性低，任何一個狀態(tài)節(jié)點(diǎn)失效，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法工作。COROS[15]基于ROS開發(fā)了機(jī)器人編程框架，但是該方法只是封裝了一些基本可重用模塊組件，缺乏理論支撐，應(yīng)用驗(yàn)證也相對簡單。Buzz[16]從編程語言設(shè)計的角度為機(jī)器人開發(fā)提供了可行方案，把機(jī)器人一般的功能需求封裝為原子語言操作，工作具有啟發(fā)性，但是缺乏軟件平臺支撐，無法支持軟件可重用性。GSDF框架[17]以Buzz中的機(jī)器人原子語言模型作為理論支撐，融合ROS實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)框架，但是該方法關(guān)注底層通信與功能原語，無法提供多任務(wù)的系統(tǒng)級別的應(yīng)用開發(fā)，其應(yīng)用范圍有限。

基于ROS的底層機(jī)制，融合包容模型，開發(fā)了一個移動機(jī)器人編程框架。提取了包容模型中的關(guān)鍵控制元件一消息禁止器和消息抑制器，基于ROS進(jìn)行封裝，提供了功能單元間通信機(jī)制以及功能單元內(nèi)部的行為描述模板。介紹了基于本文框架開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用的方法學(xué)。本框架相比于上述平臺、模型和框架，針對移動機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)勢可以總結(jié)如下：

（1）用戶可以不用了解復(fù)雜的行為協(xié)同理論，框架底層機(jī)制對用戶透明，用戶直接復(fù)用本框架提供的API即可;

（2）ROS開源社區(qū)提供的豐富的開源軟件包可以在框架當(dāng)中被重用;

（3）本框架可以支撐魯棒的系統(tǒng)級別的機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)，具有開發(fā)高效性;

（4）熟悉Python或者C++編程的程序員使用本框架基本沒有額外的學(xué)習(xí)代價。

在實(shí)驗(yàn)階段，基于框架實(shí)現(xiàn)了由包容模型提出者Brooks最初設(shè)計的自主漫游移動機(jī)器人[16]并且實(shí)現(xiàn)了一個具有六層行為的安保巡邏機(jī)器人。通過在仿真和實(shí)際環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，驗(yàn)證了框架的易用性、魯棒性和開發(fā)高效性。

其余部分組織如下，第1節(jié)介紹預(yù)備知識，介紹ROS的基本機(jī)制以及包容模型的基本思想和關(guān)鍵控制元件;第2節(jié)介紹移動機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架;第3節(jié)介紹基于框架開發(fā)機(jī)器人應(yīng)用的方法學(xué);第4節(jié)介紹基于框架的安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用開發(fā);第5節(jié)是實(shí)驗(yàn)部分。

1 預(yù)備知識

移動機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)框架基于包容模型多主體理論與機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，下面對其進(jìn)行介紹。

1.1 反應(yīng)式包容模型

多主體理論當(dāng)中，松散耦合的多個智能主體通過交互，可以構(gòu)建整體智能?；谛袨榈姆磻?yīng)式多主體理論中，多個行為通過松散耦合的方式交互，完成行為協(xié)同，包容模型是該反應(yīng)式理論的典型代表，該模型最初由Brooks提出。如圖（1）所示，表示基于包容模型的自主漫游移動機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)，方形模塊表示不同的功能單元，功能單元之間的連接線表示不同類型的消息流，功能單元之間采取松散耦合的方式進(jìn)行通信，不同的功能單元組合可以構(gòu)建行為層。圖（1）中帶有符號“I”的圓形模塊表示包容模型的控制元件之一——消息禁止器（In-hibitor），從消息禁止器之上流人的消息可以作為禁止信號，禁止經(jīng)過禁止器的消息流通，圓形模塊中的數(shù)字表示一次消息禁止的時間。圖（2）中帶有符號“S”的圓形模塊表示包容模型的另一個控制元件——消息抑制器（ Suppressor），從消息抑制器之上流人的消息，可以替代下層流經(jīng)抑制器的消息，如果沒有消息流經(jīng)抑制器，原本流經(jīng)其的消息正常傳遞，圓圈中的數(shù)字表示一次消息抑制的時間單位。通過兩個控制元件，可以組合行為層，使得上層行為在抑制下層行為的同時，也可以包容下層的部分行為，從而實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人內(nèi)部的行為協(xié)同，構(gòu)建增長式的智能。

1.2 機(jī)器人操作系統(tǒng)-ROS

在ROS中，功能單元通過節(jié)點(diǎn)（Node）表示，節(jié)點(diǎn)之間可以通過松散耦合通信方式一發(fā)布/訂閱方式進(jìn)行消息通信。每一個節(jié)點(diǎn)通過一個操作系統(tǒng)進(jìn)程來執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部通過訂閱者接口（ Subscriber）來訂閱某個話題（topic）上的消息，通過與接口綁定的回調(diào)函數(shù)來處理消息，回調(diào)函數(shù)可以通過消息觸發(fā)執(zhí)行。發(fā)布者接口（ Publisher）負(fù)責(zé)在某個話題上發(fā)布消息，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間異步通信。

2 移動機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架

基于機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，融合多主體理論中基于行為的反應(yīng)式模型，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于移動機(jī)器人的行為協(xié)同開發(fā)框架。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖（2）所示，表示移動機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架總體結(jié)構(gòu)。底層表示機(jī)器人操作系統(tǒng)，為框架開發(fā)提供底層支撐，功能單元可以復(fù)用機(jī)器人操作系統(tǒng)中的開源軟件功能包，也可以自己編寫。消息禁止器和消息抑制器為框架中的消息流控制元件，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的機(jī)制，把其封裝成API，通過消息流控制元件的消息禁止和消息抑制功能，把功能單元組合成行為層，不同的行為層組合成了一個自主智能移動機(jī)器人。

2.2 消息流控制元件的封裝

消息流控制元件為包容模型中最重要的部分，包括消息禁止器和消息抑制器，消息禁止器可以通過上層禁止信號的到來阻斷下層消息流傳遞，消息抑制器可以把下層的消息流替換為從抑制器上層傳人的消息流。例如，圖（1）中的“wander”模塊的輸出消息線上插入了一個消息抑制器，就可以使得上層的“startlook”消息作為消息禁止信號，禁止下層的“heading”消息傳遞給“avoid”模塊，一次消息禁止的時間為3個單位;圖（1）中的“runaway”模塊的消息輸出線上，插入了一個消息抑制器，當(dāng)上層的“avoid”模塊有“heading”消息輸出的時候，就會替換下層“runaway”模塊本來的消息輸出，一次消息抑制的時間為20個單位。

在消息禁止器控制元件的封裝過程中，一個元件被封裝為一個機(jī)器人操作系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有兩個回調(diào)函數(shù)，一個被上層傳人的消息觸發(fā)，一個被下層傳人的消息觸發(fā)，每個回調(diào)函數(shù)內(nèi)部都會記錄一個時間戳，每一次回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行都會觸發(fā)這個時間戳的更新，兩個回調(diào)函數(shù)之間通過共享變量機(jī)制，共享各自的時間戳。當(dāng)消息禁止器接收到一個從下層傳人的消息時候，觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，其內(nèi)部控制邏輯就會計算這兩個時間戳的差值，判斷其是否小于一個預(yù)先指定的閾值。如果小于這個閾值，下層消息就會被禁止，否則下層消息通過該回調(diào)函數(shù)被轉(zhuǎn)發(fā)，即消息正常傳遞。

消息抑制器的封裝過程類似于消息禁止器的封裝，不同點(diǎn)是，消息抑制器在禁止下層消息傳遞的同時，在處理上層消息的回調(diào)函數(shù)中加入了一個消息發(fā)布者，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)上層消息，從而使得下層傳人的消息替換為上層消息，完成消息抑制過程。

控制元件中傳人消息的話題、消息禁止和抑制時間被封裝為可以外部配置的參數(shù)。用戶使用這兩個控制元件時，只需在ROS提供的launch文件中，實(shí)例化控制元件節(jié)點(diǎn)API，并配置相應(yīng)參數(shù)即可。

2.3 功能單元之間的通信

在ROS中，功能單元通過節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)之間可以通過異步方式進(jìn)行通信。采用發(fā)布/訂閱機(jī)制，一個節(jié)點(diǎn)把消息發(fā)布到某一個話題上，所有在這個話題上訂閱消息的節(jié)點(diǎn)都可以接受到這個消息，消息類型需要與話題上指定的消息類型相匹配。

在框架當(dāng)中，如圖（3）所示，表示功能單元之間以及與控制元件之間的通信方式，采用發(fā)布/訂閱機(jī)制，通信相連的功能單元需要配置相同的話題，底層支撐采用TCP/IP協(xié)議。例如，在圖（1）中，“sonar”模塊在相應(yīng)話題上發(fā)布了類型為“map”的消息，話題名稱為“/sonar/map”，那么在這個話題上訂閱消息的“feelforce”模塊和“collide”模塊，都可以接收到這個消息。通過這種方式，用戶基于本文開發(fā)框架，重用的開源功能單元模塊或者是自己重新編寫的功能單元模塊，都可以很方便地插入到想要開發(fā)的移動機(jī)器人應(yīng)用的控制模型當(dāng)中。

2.4 功能單元內(nèi)部的行為描述模板

機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架提供了功能單元內(nèi)部的行為描述模板，采用了有限狀態(tài)機(jī)的方式，共分為四種類別的狀態(tài)：事件觸發(fā)調(diào)度狀態(tài)、副效應(yīng)狀態(tài)、條件觸發(fā)調(diào)度狀態(tài)、輸出狀態(tài)。通過四種狀態(tài)組成的有限狀態(tài)機(jī)，可以作為行為描述模板開發(fā)功能單元，下面舉例進(jìn)一步解釋。

如圖（4）所示，表示的是圖（1）中“avoid”功能單元內(nèi)部的有限狀態(tài)機(jī)行為描述方式，此狀態(tài)機(jī)運(yùn)行在一個回調(diào)函數(shù)當(dāng)中，該函數(shù)負(fù)責(zé)處理到來的“heading”消息。監(jiān)控狀態(tài)負(fù)責(zé)訂閱“heading”消息。此狀態(tài)屬于事件觸發(fā)調(diào)度狀態(tài)，“heading”消息的到來即為觸發(fā)狀態(tài)機(jī)調(diào)度的事件;規(guī)劃狀態(tài)根據(jù)“heading”消息存儲的信息與共享變量計算結(jié)果，這個共享變量的更新通過另一個回調(diào)函數(shù)來執(zhí)行，此狀態(tài)屬于副效應(yīng)狀態(tài)，狀態(tài)的執(zhí)行帶來了內(nèi)部某些變量的改變，比如說本例狀態(tài)機(jī)中的結(jié)果變量。計算完畢后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行狀態(tài);執(zhí)行狀態(tài)將結(jié)果與一個閾值相比較，如果大于閾值，轉(zhuǎn)入監(jiān)控狀態(tài)，如果小于閾值，轉(zhuǎn)入輸出結(jié)果狀態(tài)。此狀態(tài)為條件觸發(fā)調(diào)度狀態(tài)，觸發(fā)的條件即為計算結(jié)果與閾值的比較;發(fā)布狀態(tài)負(fù)責(zé)將計算得到的結(jié)果封裝成消息并且發(fā)布。此狀態(tài)屬于輸出狀態(tài)，輸出的是計算結(jié)果。

3 基于行為協(xié)同框架的應(yīng)用開發(fā)方法學(xué)

提供了基于行為協(xié)同框架開發(fā)移動機(jī)器人應(yīng)用的方法學(xué)，分為控制模型設(shè)計步驟和實(shí)際應(yīng)用開發(fā)步驟，總結(jié)如下。

3.3 基于行為協(xié)同框架的控制模型設(shè)計方法學(xué)

總結(jié)的基于行為協(xié)同框架的控制模型設(shè)計方法學(xué)，主要是基于包容模型的層次行為設(shè)計的基本思想，采用自頂向下的方法，具體步驟如下。

（1）提出移動機(jī)器人應(yīng)用的總體需求;

（2）將總體需求分解為機(jī)器人的具體行為;

（3）分析具體行為由哪些功能模塊組成;

（4）分析消息流控制元件如何插入相應(yīng)功能模塊當(dāng)中，組成行為層;

（5）畫出基于包容模型的行為分層控制模型設(shè)計圖。

3.4 基于行為協(xié)同框架的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)方法學(xué)

總結(jié)的基于行為協(xié)同框架的實(shí)際移動機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)過程的方法學(xué)，采用自底向上的思想，具體步驟如下：

（1）根據(jù)框架中的功能單元行為描述模板，開發(fā)相應(yīng)的功能單元，如果ROS中有相應(yīng)的開源代碼包，盡量實(shí)現(xiàn)軟件重用;

（2）使用框架提供的消息流控制元件API，配置相應(yīng)的消息參數(shù)和時間參數(shù)，并且在launch文件中實(shí)例化。

（3）通過消息控制元件和功能單元組成相應(yīng)的行為層;

（4）把不同的行為層組合成一個完整的移動機(jī)器人應(yīng)用;

（5）在機(jī)器人仿真和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。

4 基于框架的安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用案例開發(fā)

安保機(jī)器人具有十分廣泛的應(yīng)用價值，例如家庭安保機(jī)器人、社區(qū)安保機(jī)器人、商場安保機(jī)器人等。本文基于提出的行為協(xié)同開發(fā)框架，設(shè)計了一個具有六層行為的安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用案例，進(jìn)一步驗(yàn)證了本框架的易用性和開發(fā)效率的高效性。

4.1 安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用需求分析

針對安保巡邏機(jī)器人的特點(diǎn)，首先進(jìn)行需求分析，將安保巡邏機(jī)器人的總體需求總結(jié)如下：首先，安保巡邏機(jī)器人需要可以在已經(jīng)建立好地圖的指定區(qū)域內(nèi)巡邏，如果有入侵者到來，可以檢測到并采取一定措施，例如跟蹤入侵者、報警。當(dāng)上述行為模塊失效時候，為了提高機(jī)器人魯棒性，機(jī)器人還需要具有一定的容錯能力，比如基本的自我保護(hù)能力、漫游的能力、對環(huán)境的探索能力等。此外，遠(yuǎn)程的中心監(jiān)控室需要看到機(jī)器人看到的視頻畫面，而且當(dāng)機(jī)器人的巡邏安保行為失效的時候，比如機(jī)器人阻塞在某些障礙物之間無法移動，出現(xiàn)這些意外情況的時候，可以做到人工遠(yuǎn)程手動控制機(jī)器人。

4.2 安保巡邏機(jī)器人控制模型設(shè)計

如圖（5）所示，表示設(shè)計的安保巡邏機(jī)器人控制模型，根據(jù)4.1節(jié)總結(jié)的需求，共分為六個行為層，現(xiàn)將六個行為層描述如下：

（1）第一層：當(dāng)有外來物體靠近機(jī)器人時，機(jī)器人遠(yuǎn)離目標(biāo);

（2）第二層：機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主漫游行為，碰到障礙物的時候主動躲避;

（3）第三層：機(jī)器人會主動對環(huán)境的空閑區(qū)域進(jìn)行主動探索;

（4）第四層：機(jī)器人在已經(jīng)建立地圖的環(huán)境當(dāng)中，可以在預(yù)先標(biāo)定的目標(biāo)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)巡邏。

（5）第五層：機(jī)器人可以通過人臉檢測，檢測可疑入侵者目標(biāo)，自動跟蹤并發(fā)出警報;

（6）第六層：遠(yuǎn)端有一個與機(jī)器人通過無線通信相連接的計算機(jī)，在計算機(jī)上可以看到機(jī)器人看到的畫面，手動標(biāo)識入侵者，手動控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.3 安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用開發(fā)

上一節(jié)設(shè)計了安保巡邏機(jī)器人的控制模型，下面介紹具體實(shí)現(xiàn)過程。

在第一層中，機(jī)器人通過“kinect”模塊獲取攝像頭得到的視頻信息以及深度圖像信息，“run-away”模塊采取手動編寫方式，通過深度點(diǎn)云信息，計算前方對象是否離自己過近，從而逃離或者原地不動?！皊moother”是速度平滑器模塊，復(fù)用開源節(jié)點(diǎn)，減少機(jī)器人行進(jìn)過程中由于速度變化而產(chǎn)生的抖動。

在第二層中，“bumper”模塊傳遞機(jī)器人的碰撞信息，可以檢測到是否撞到了障礙物，“wander”模塊手動編寫，可以發(fā)出隨機(jī)漫游的速度指令，“avoid”模塊也通過手動編寫，可以融合這兩個消息，實(shí)現(xiàn)了帶有避障的漫游。第二層插入第一層的消息抑制器，可以通過漫游行為抑制逃離行為，并且實(shí)現(xiàn)了對于第一層速度平滑功能的包容。

在第三層中，“explore”模塊手動編寫，通過接收“kinect”模塊的深度信息，發(fā)現(xiàn)前方空曠區(qū)域，主動實(shí)現(xiàn)探索性地自主智能漫游，通過第三層插入第二層的消息抑制器，可以通過探索行為抑制漫游行為，并且實(shí)現(xiàn)了對于底層避障功能、速度平滑功能的包容。

在第四層中，復(fù)用了開源的機(jī)器人導(dǎo)航軟件包實(shí)現(xiàn)了“navigation”模塊，“patrol”模塊手動編寫，給“navigation”模塊發(fā)送目標(biāo)指令，并且接收其反饋，反饋消息中包含是否到達(dá)相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)信息，如果到達(dá)，“patrol”模塊發(fā)送下一個目標(biāo)點(diǎn)指令，從而實(shí)現(xiàn)巡邏。通過第四層插入第三層消息抑制器，可以通過有帶有任務(wù)規(guī)劃的巡邏行為抑制較低層的探索行為。

在第五層中，復(fù)用了開源的視覺檢測模塊“de-tect”、視覺跟蹤模塊“track”以及機(jī)器人報警與發(fā)聲代碼包“alarm”和“sound_play”，當(dāng)“detect”通過人臉識別算法檢測到可疑目標(biāo)的時候，會把消息發(fā)布出來，“alarm”模塊會馬上接收到這個消息并且發(fā)給“sound_play”模塊報警，“track”模塊也會馬上接收到這個消息，“track”模塊同時還會接收機(jī)器人攝像頭捕捉的視頻消息，處理之后，跟蹤到可疑目標(biāo)，框選出來?！癴ollow”模塊手動編寫，把目標(biāo)在視野中的位置和大小信息，通過視覺的近大遠(yuǎn)小原理，轉(zhuǎn)換為機(jī)器人相應(yīng)的速度指令，控制機(jī)器人移動。第五層插入第四層的消息禁止模塊，能馬上禁止機(jī)器人當(dāng)前的巡邏行為，根據(jù)視野內(nèi)當(dāng)前可疑目標(biāo)，進(jìn)行跟蹤算法的計算，從而最終輸出跟蹤行為，通過插入到第四層的消息抑制器，把巡邏行為替換為跟蹤行為，實(shí)現(xiàn)可疑者跟蹤。

在第六層中，“remote terminal”表示與機(jī)器人通過無線通信相連的遠(yuǎn)程計算機(jī)，“manual detect”是手動檢測模塊，可以手動人工框選目標(biāo)，通過消息抑制器，替代下層自動框選的目標(biāo)，“manual con-trol”通過遠(yuǎn)程計算機(jī)的人工控制命令，控制機(jī)器人移動，通過消息抑制器，替代下層的機(jī)器人自主移動的指令。

通過以上六層行為中功能模塊的組織和消息元件的插入，實(shí)現(xiàn)了一個智能的安保巡邏機(jī)器人應(yīng)用。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 自主漫游移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

基于提出的行為協(xié)同開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)了由Brooks最初提出的由包容模型構(gòu)建的三個行為層的自主漫游移動機(jī)器人應(yīng)用，控制模型如圖（1）所示。

5.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

如圖（6）所示，表示自主漫游移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，圖（6a）的環(huán)境表示的是兩個空曠的走廊當(dāng)中有一個方形的障礙物，圖（6b）的環(huán)境表示地圖中有零散分布的障礙物。圖（6）中的圓圈為機(jī)器人，綠色范圍表示聲吶傳感器的有效范圍，紅色線條表示激光傳感器掃描線。

為仿真機(jī)器人配置了12個聲吶傳感器，這12個聲吶傳感器總共覆蓋的角度為360度，最大探測范圍為3米，最小的探測范圍為0.3米;配置了1個激光傳感器，覆蓋的角度是270度，最大探測到的距離配置為8米，最小的探測距離配置為0米。仿真環(huán)境基于ROS提供的STDR仿真器[18]構(gòu)建。

5.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在第1級別的行為能力之下，機(jī)器人會找到一片比較空閑區(qū)域停留在原地，直到有另外的目標(biāo)向其移動。如圖（7）所示，表示自主漫游移動機(jī)器人的在第2級和第3級的行為能力下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖（7a）和圖（7b）中，機(jī)器人在第2級相應(yīng)行為能力之下，會在兩種地圖之中作無目的漫游，而且，第2級的行為同時也會包容第1級的行為，如果將要碰到某個障礙物，例如墻壁、地圖邊緣，會執(zhí)行主動避障的行為。在圖（7c）和圖（7d）當(dāng)中，機(jī)器人在第3級相應(yīng)行為能力之下，會通過上層的激光傳感器，探索到空曠區(qū)域的位置信息，并且向其移動，完成更高的級別的自主漫游行為。同時，第1級和第2級的行為模塊在第3級當(dāng)中也發(fā)揮著十分重要的作用，機(jī)器人在漫游的同時也可以完成避障。如果機(jī)器人周圍障礙物較多的話，就會長時間探索不到比較空曠的區(qū)域，此時，機(jī)器人行為降級，恢復(fù)到第2級的隨機(jī)漫游行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的應(yīng)用于移動機(jī)器人的機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架的易用性、可靠性、魯棒性。

5.2 安保巡邏機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

5.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

如圖（8）所示，表示安保巡邏機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置。圖（8a）表示本文所使用的地面移動機(jī)器人TurtleBot[19]，該機(jī)器人包括一個Kobuki底盤，一個Kinect攝像頭以及一臺筆記本電腦。Kobuki底盤上面帶有碰撞傳感器，碰撞傳感器可以通過壓力感應(yīng)原理，檢測到正前方、左前方以及右前方的障礙物。Kinect傳感器可以獲取RGB-D信息，最大的探測距離為3.5米，最小的探測距離為1.2米。

圖（8b）表示實(shí)驗(yàn)環(huán)境，中間有一個乒乓球桌作為障礙物，乒乓球桌四面是機(jī)器人可以通行的通道。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

如圖（9）所示，表示實(shí)際環(huán)境下的安保巡邏機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中的白色箭頭表示移動機(jī)器人TurtleBot的運(yùn)動軌跡，機(jī)器人在不同的控制層次之下，會展示出相應(yīng)的不同行為能力，同時，高級別的行為能力會包容低級別的一部分的行為能力。

在第1級別行為能力之下，如圖（9a）所示，當(dāng)有目標(biāo)靠近機(jī)器人的時候，機(jī)器人會逃離目標(biāo)，以執(zhí)行自我保護(hù)行為;

在第2級別的行為能力之下，如圖（9b）所示，機(jī)器人會執(zhí)行隨機(jī)漫游的行為，同時保證避障，當(dāng)碰撞到障礙物時候，執(zhí)行一定的避障行為;

在第3級別的行為能力之下，如圖（9c）所示，機(jī)器人會執(zhí)行探索空曠區(qū)域的行為，例如圖中機(jī)器人通過kinect傳感器，探索到了空曠的可通行通道，就會大致沿著這個方向行進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)智能自主的探索行為。

在第4級別的行為能力之下，如圖（9d）所示，在預(yù)先建立好地圖的環(huán)境當(dāng)中，指定了四個巡邏點(diǎn)（乒乓球桌的四個角），機(jī)器人就會沿著這些巡邏點(diǎn)執(zhí)行巡邏行為。

在第5級別的行為能力之下，如圖（9e）所示，前方粘貼人臉圖片的TurtleBot為可疑入侵機(jī)器人，當(dāng)機(jī)器人在正常巡邏的過程當(dāng)中，通過人臉檢測功能，檢測到入侵機(jī)器人，就會執(zhí)行跟蹤行為并且報警。如果可疑機(jī)器人快速逃走導(dǎo)致其消失在視野當(dāng)中，那么機(jī)器人就會降級其行為能力，恢復(fù)巡邏功能。

在第6級別的行為能力之下，如圖（9f）所示，遠(yuǎn)程終端（乒乓球桌上的筆記本電腦）通過無線網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人建立通信連接，此時，在遠(yuǎn)程終端上就可以看到機(jī)器人看到的畫面，遠(yuǎn)程終端之上，如果機(jī)器人無法自動識別可疑者，可以通過人工手動框選目標(biāo)的方式，指定可疑目標(biāo)，也可以通過手動控制功能，在遠(yuǎn)程終端上向機(jī)器人發(fā)送速度運(yùn)動指令，人工遠(yuǎn)程控制機(jī)器人移動。當(dāng)人工指令不發(fā)出的時候，機(jī)器人降級其行為能力，恢復(fù)到之前的巡邏行為或者自主檢測跟蹤行為（根據(jù)視野中有無可疑入侵者目標(biāo)）。

如果此安保機(jī)器人應(yīng)用通過其他移動機(jī)器人框架開發(fā)，例如基于有限狀態(tài)機(jī)的SMACH[14]框架，下面與本文實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析。在機(jī)器人運(yùn)行過程中，使巡邏節(jié)點(diǎn)失效（關(guān)閉巡邏任務(wù)進(jìn)程）。對于本文應(yīng)用來說，機(jī)器人會通過視覺傳感器降級執(zhí)行帶有探索的漫游行為（行為級別3），對環(huán)境依舊有巡邏功能，并且發(fā)現(xiàn)入侵者的時候，依舊會進(jìn)行跟蹤;對于SMACH應(yīng)用來說，機(jī)器人巡邏行為會馬上失效，狀態(tài)轉(zhuǎn)換無法被觸發(fā)，整個系統(tǒng)癱瘓，應(yīng)用不具有可靠性和魯棒性。此外，對于其他中心仲裁的框架，例如Motor Schema、多路復(fù)用選擇器等，當(dāng)中心仲裁節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行進(jìn)程意外關(guān)閉，整個系統(tǒng)癱瘓;本文框架把行為協(xié)同節(jié)點(diǎn)（消息禁止器與消息抑制器）分布到各個行為層當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)分布式行為仲裁，進(jìn)一步提高了框架的可靠性和魯棒性。

在機(jī)器人原型過程中，通過基于本文框架開發(fā)的安保巡邏機(jī)器人的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的開發(fā)框架在實(shí)際機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)方面，具有易用性、可靠性、魯棒性。

6 結(jié)論

多主體理論中，各個主體可以通過交互構(gòu)建整體智能，基于行為的反應(yīng)式多主體理論中，主體可以通過對環(huán)境的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能，包容模型是反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)的代表，具有魯棒、容錯、分布式協(xié)同的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS是開源機(jī)器人軟件平臺，有豐富的可重用的開源機(jī)器人軟件功能包。本文融合ROS與包容模型開發(fā)了一個移動機(jī)器人行為協(xié)同框架，為移動機(jī)器人開發(fā)提供了方便。本文通過使用該開發(fā)框架，分別在仿真器和實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了自主漫游機(jī)器人和安保巡邏機(jī)器人，進(jìn)一步驗(yàn)證了框架的開發(fā)高效性。在接下來的工作中，會把框架向多機(jī)器人擴(kuò)展，研究多機(jī)器人行為協(xié)同開發(fā)框架。

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