張開宇,高國偉，2,毛浩龍

(1.北京信息科技大學(xué) 傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101;2.北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192;3.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100096)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在越來越多的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[1-2]。單獨(dú)的機(jī)器人工作能力有限，而復(fù)合功能機(jī)器人價(jià)格高昂，制造和維護(hù)成本都高于數(shù)個(gè)功能單一的機(jī)器人[3]。在軍事方面，機(jī)器人群體可以輕松地完成多方位偵查，排雷，打擊目標(biāo)等復(fù)雜任務(wù)，在工業(yè)方面，可以完成焊接、組裝、車床沖壓等，在民用方面如智能噴灑，智能除草等方面[4-5]。

機(jī)器人集群控制是為了使多個(gè)機(jī)器人統(tǒng)一由單獨(dú)的控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，從而形成高度協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，從而可以使機(jī)器人集群高效協(xié)調(diào)工作完成單個(gè)機(jī)器人無法勝任的復(fù)雜工作。針對(duì)自主機(jī)器人群體的控制方式主要有：領(lǐng)航員-跟隨法[6-7]、基于行為法[8]、虛擬結(jié)構(gòu)法[9]以及近年來學(xué)者提出的距離測(cè)量法[10]等。這些方法適用性較低，無法在現(xiàn)場(chǎng)靈活地改變動(dòng)作，或者在編程的時(shí)候無法直觀地看到機(jī)器人的動(dòng)作而導(dǎo)致編程困難，調(diào)試繁瑣。通過改進(jìn)的領(lǐng)航跟隨型迭代學(xué)習(xí)法[11]等算法可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的接收自適應(yīng)動(dòng)作指令，但這些方法對(duì)機(jī)器人的硬件要求很高，形成機(jī)器人編隊(duì)時(shí)成本昂貴。

在進(jìn)行多個(gè)自主機(jī)器人編隊(duì)算法設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何通過簡單的相互作用，使控制大量的機(jī)器人等諸多問題。

該系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議通信，記憶儲(chǔ)存模塊儲(chǔ)存動(dòng)作代碼，使得機(jī)器人可以實(shí)時(shí)地同上位機(jī)相互傳輸信號(hào)，操作人員可以及時(shí)地做出更改指令，糾正錯(cuò)誤，規(guī)范動(dòng)作，切換和終止任務(wù)等操作，有效的解決了無法及時(shí)糾正錯(cuò)誤動(dòng)作，更改提前編寫的動(dòng)作程序等問題?？梢酝瓿尚畔⒐蚕?，直接消除了機(jī)器人個(gè)體之間的動(dòng)作沖突，形成了由統(tǒng)一控制中心進(jìn)行的多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作的有效技術(shù)途徑。并且因?yàn)榫哂袃?chǔ)存模塊，即使與上位機(jī)斷開鏈接，也可以根據(jù)提前編好的指令進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。通過對(duì)三臺(tái)機(jī)器人的控制測(cè)試，該系統(tǒng)滿足對(duì)機(jī)器人編隊(duì)控制的要求，成本低廉，對(duì)機(jī)器人硬件要求不高，易于廣泛推廣。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 MQTT協(xié)議

IBM公司于1988年發(fā)布MQTT協(xié)議，將其構(gòu)建在TCP/IP上，，它主要面向通信資源受限且通信任務(wù)比較輕的局域網(wǎng)中[12]。因?yàn)镸QTT帶寬極低、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)所以經(jīng)常被使用在寒旱地區(qū)以及野外進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。采用四足機(jī)器人對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其每個(gè)機(jī)器人具有12個(gè)靈活度，控制難度超過一般的輪式或者履帶式機(jī)器人。但是，其具有優(yōu)秀的適應(yīng)能力，可以實(shí)現(xiàn)翻越障礙物，進(jìn)行跳躍，上階梯等動(dòng)作。動(dòng)力強(qiáng)，穩(wěn)定性良好等特性使得其具有十分高的研究價(jià)值。因此選擇對(duì)四足機(jī)器人進(jìn)行控制既可以檢驗(yàn)該控制方案是否具有可行性，也可以檢測(cè)其在實(shí)際應(yīng)用中是否具有較高的使用價(jià)值。

1.2 MQTT通信

MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}(topic)和負(fù)載(payload)兩個(gè)部分，topic部分包含消息名，payload是實(shí)際要傳輸?shù)膬?nèi)容。因?yàn)槊總€(gè)消息都會(huì)有一個(gè)主題，所以MQTT可以根據(jù)主題來區(qū)分消息來發(fā)送到哪個(gè)客戶端。同時(shí)MQTT具有以下特點(diǎn)：

1)使用的發(fā)布/訂閱消息模式后，MQTT提供多消息分發(fā)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序解耦。

2)具有對(duì)負(fù)載信息屏蔽的消息傳輸機(jī)制。

3)可以設(shè)置消息服務(wù)質(zhì)量等級(jí)(QoS):當(dāng)QoS=0時(shí)，無論接受方是否接受到了消息，最多發(fā)送一次消息；當(dāng)QoS=1時(shí)，為了確保消息確實(shí)到達(dá)，至少發(fā)送一次。當(dāng)QoS=2時(shí)，消息發(fā)送一次，是最高等級(jí)，不允許消息丟失。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三部分組成：機(jī)器人終端，服務(wù)器，人機(jī)交互平臺(tái)。其中服務(wù)器和人機(jī)交互平臺(tái)可以在同一PC端實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人連接到服務(wù)器后，人機(jī)交互平臺(tái)即可發(fā)送各項(xiàng)參數(shù)和信息給機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人可以反饋運(yùn)動(dòng)信息給平臺(tái)。

為了檢測(cè)該操作系統(tǒng)對(duì)軟件以及上位機(jī)的硬件配置要求，實(shí)驗(yàn)選擇了筆記本電腦，其配置為酷睿處理器i5-4200U(1.6～2.6 GHz)，4 G內(nèi)存，GT750M顯卡。機(jī)器人選擇了具有12個(gè)靈活度的四足機(jī)器人，其核心為ESP8266控制模塊，內(nèi)部集成了WiFi模塊可連接到控制路由器上，在局域網(wǎng)內(nèi)形成多個(gè)機(jī)器人信息交互網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)開發(fā)采用目前流行的開源軟件Arduino作Windows端開發(fā)IDE，其上位機(jī)通過LinuxQt或Android與操作員進(jìn)行交互，并且顯示各個(gè)機(jī)器人的狀態(tài)信息。通過上位廣播對(duì)各個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制，各個(gè)機(jī)器人收到上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制動(dòng)作命令后，依次有序的執(zhí)行并匯報(bào)，從而使得機(jī)器人之間協(xié)調(diào)有序的進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的合作完成任務(wù)。機(jī)器人采用了舵機(jī)控制模塊，AD采樣模塊，穩(wěn)壓模塊等。通過IIC總線通信和控制12個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 MQTT控制系統(tǒng)發(fā)布訂閱模式

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

在無線局域網(wǎng)情況下，Wireshark的使用讓該控制系統(tǒng)可以在Linux環(huán)境中抓取控制中心與外界通訊時(shí)的IEEE 802.11的抓包文件(即Pcap)，篩選并獲取MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)包。獲取MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)包后開始進(jìn)行串口調(diào)試，在串口調(diào)試完可以進(jìn)行對(duì)MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)包的解讀，串口調(diào)試見圖3。

圖3 串口調(diào)試

如果機(jī)器人運(yùn)行過程發(fā)生異常，異常信息就會(huì)通過集成MQTT客戶端發(fā)送到服務(wù)器上，人機(jī)交互平臺(tái)就可以接收到異常信息，從而實(shí)施相應(yīng)的對(duì)策。

1.4 人機(jī)交互平臺(tái)

操作員可以通過PC端或者手機(jī)應(yīng)用客戶端實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地地檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，手機(jī)客戶端(遠(yuǎn)程客戶端)以“推拉”的方式接收消息，定期地向服務(wù)器詢問是否有消息發(fā)出稱為“拉”,服務(wù)器主動(dòng)向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送消息稱為“推”。該系統(tǒng)考慮到手機(jī)的待機(jī)時(shí)長，采用推的方式將信息發(fā)送給客戶端。

在Android客戶端設(shè)計(jì)中，將MQTT集成到ServicePush模塊中，連接到服務(wù)器以后便可以訂閱相關(guān)主題。當(dāng)有主題推送時(shí)，Android客戶端便可以直接查看在線機(jī)器人的運(yùn)作狀態(tài)。

2 基于MQTT的機(jī)器人集群控制系統(tǒng)的四足機(jī)器人

四足爬行機(jī)器人是仿生機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)如蜘蛛。四足爬行機(jī)器人根據(jù)蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)作行為原理設(shè)計(jì)出來，在實(shí)際中具有很強(qiáng)的工作能力和市場(chǎng)前景[13-17]。實(shí)驗(yàn)使用了具有12個(gè)自由度的四足仿蜘蛛機(jī)器人，其12個(gè)自由度的控制對(duì)該控制系統(tǒng)具有一定的考驗(yàn)。并且該系統(tǒng)是基于機(jī)器人集群控制，各種集群控制的算法可以自由選擇、自行切換，方便高效。

2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)

四足機(jī)器人硬件電路采用主控芯片，舵機(jī)控制模塊，顯示模塊等其部分組成。

2.1.1 主控芯片

如圖4所示，主控芯片采用了ESP8266芯片，其工作溫度在-20～80 ℃之間，適應(yīng)各種場(chǎng)合，并且內(nèi)置射頻模塊，2.5 GHz的接收發(fā)射器。其自帶WIFI射頻，802.11 b和802.11 g的基帶。內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議等使得與上位機(jī)連接是不在依靠有線傳輸。

圖4 主控MCU最小系統(tǒng)電路

2.1.2 舵機(jī)控制模塊

舵機(jī)控制模塊使用PCA9685將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)可以識(shí)別多的PWM控制信號(hào)，其電路如圖5所示。使用IIC與ESP8266進(jìn)行通信從而達(dá)到控制伺服電機(jī)的目的。PCA9685本身自帶四個(gè)IIC地址，每個(gè)IIC最多支持四路PWM信號(hào)的輸出，并且各路信號(hào)均為12位分辨率。該舵機(jī)控制模塊可實(shí)現(xiàn)自上電復(fù)位和軟件復(fù)位的功能，不必設(shè)計(jì)手動(dòng)復(fù)位電路。

圖5 舵機(jī)控制電路

2.1.3 顯示模塊

如圖6所示，四足機(jī)器人采用1.3寸的OLED液晶顯示，128×64點(diǎn)陣滿足調(diào)試需求，在室內(nèi)和陽光下都可以看見。在調(diào)試完程序以后，考慮到機(jī)器人功耗問題，在正常運(yùn)行時(shí)將關(guān)閉OLED。

圖6 OLED電路

2.2 終端與上位機(jī)連接

機(jī)器人打開電源后會(huì)直接進(jìn)入調(diào)試模式，ESP8266通過集成的WIFI開始搜索服務(wù)器終端并連接，MQTT中間件便開始發(fā)送報(bào)文，報(bào)文中包括連接件的用戶名(ssid)和密碼(password)，ssid和password正確便可以開始進(jìn)行匹配。在控制中心和機(jī)器人匹配成功后，控制系統(tǒng)便可以直接控制機(jī)器人，匹配調(diào)試過程見圖7。

圖7 匹配調(diào)試圖

圖7中ssid是連接的WIFI名稱，password是密碼文件，host是tcpServer服務(wù)器的IP地址，同時(shí)也是手機(jī)在路由器上的IP。tcpPort是監(jiān)控端地址。

如果機(jī)器人在運(yùn)行過程中發(fā)生異常狀況如：停機(jī)或動(dòng)作模式不正確等，這些異常數(shù)據(jù)會(huì)通過集成的MQTT終端發(fā)送到上位機(jī)中，操作人員便可以根據(jù)情況做出處理。同時(shí)，MQTT終端會(huì)時(shí)時(shí)地將機(jī)器人的12個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置發(fā)送到上位機(jī)中，當(dāng)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置長時(shí)間不更新時(shí)便可以根據(jù)是否有連接中斷信息通知來判斷機(jī)器人死機(jī)或者掉線。

2.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

四足機(jī)器人爬行分解如圖8所示，在該系統(tǒng)控制下，機(jī)器人爬行時(shí)以左前腿右后腿同時(shí)向前，并且左前腿和右后腿的膝關(guān)節(jié)微微抬起，到達(dá)指定位置后左前腿右后腿的漆關(guān)節(jié)落下支撐機(jī)器人軀體，右前腿和左后腿重復(fù)左前腿右后腿動(dòng)作，完成一次前進(jìn)動(dòng)作。

圖8 四足機(jī)器人爬行示意圖

a.髖關(guān)節(jié)；b.膝關(guān)節(jié)；c.足關(guān)節(jié)。圖9 四足爬行機(jī)器人側(cè)面

機(jī)器人左前腿和右前腿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如圖10所示，其運(yùn)動(dòng)相位差半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，表示了這兩只前腿是模仿四足動(dòng)物的兩條前腿進(jìn)行交替運(yùn)動(dòng)的。

圖10 左前腿和右前腿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)圖

該控制系統(tǒng)相比于其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1)具有可以使機(jī)器人動(dòng)作復(fù)現(xiàn)功能。使用動(dòng)作復(fù)現(xiàn)功能完全避開了傳統(tǒng)邊調(diào)整參數(shù)邊進(jìn)行動(dòng)作演示的編程方法，人機(jī)交互更加容易，編程更加簡單。

2)成本低廉。在實(shí)驗(yàn)中，只使用了配置很低的筆記本電腦，便可以完全控制3臺(tái)機(jī)器人，并且實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的全部功能，相比與其他昂貴的控制中心，該系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比。

3)豐富的功能。該系統(tǒng)可以將一臺(tái)已經(jīng)設(shè)置好動(dòng)作的機(jī)器人的代碼同時(shí)發(fā)送到所有相同型號(hào)的機(jī)器人終端，并且可以運(yùn)行各種機(jī)器人集群控制算法，在多個(gè)器人同時(shí)工作時(shí)可以針對(duì)某個(gè)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作糾正，更改動(dòng)作模式等操作。

4)該系統(tǒng)可在各種終端上運(yùn)行。該系統(tǒng)可以在Linux，Windows以及具有無線傳輸功能的平板電腦上運(yùn)行。

3 系統(tǒng)檢測(cè)與仿真

實(shí)驗(yàn)采用四足爬行機(jī)器人作為控制對(duì)象，四足爬行機(jī)器人可以完成較為復(fù)雜的動(dòng)作，成本相對(duì)六足機(jī)器人和仿人機(jī)器人低廉，并且設(shè)計(jì)上比較簡單。

3.1 機(jī)器人動(dòng)作復(fù)現(xiàn)

將具有12個(gè)伺服電機(jī)的四足機(jī)器人的四肢擺放成特定的動(dòng)作形態(tài)，此時(shí)的伺服電機(jī)的角度如圖11所示。激活機(jī)器人后，上位機(jī)同時(shí)對(duì)所有連接到服務(wù)器的機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令傳輸，分配任務(wù)。機(jī)器人接收到上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制指令后，按序列匯報(bào)并執(zhí)行動(dòng)作指令。上位機(jī)進(jìn)入程序端后，開始創(chuàng)建udpsocket文件來實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶IP地址，監(jiān)聽地址以及本地端口進(jìn)行判斷。

圖11 運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用界面

運(yùn)動(dòng)控制中，可以記錄每個(gè)伺服電機(jī)的時(shí)時(shí)的角度位置，在恢復(fù)初始狀態(tài)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)播放使得每個(gè)伺服電機(jī)按照時(shí)間記錄的角度進(jìn)行動(dòng)作重復(fù)，及實(shí)現(xiàn)了人“手把手教”，操作一次后機(jī)器人便可以模仿。

實(shí)驗(yàn)中使用了三個(gè)相同的四足爬行機(jī)器人來進(jìn)行機(jī)器人集群控制實(shí)驗(yàn)。給三個(gè)機(jī)器人設(shè)置了電位脈沖，當(dāng)機(jī)器人在工作狀態(tài)時(shí)給控制終端發(fā)送的是高電位，當(dāng)停止工作時(shí)發(fā)送低電位。實(shí)驗(yàn)使得三臺(tái)機(jī)器人同時(shí)接受指令工作，并且在2.5秒時(shí)給第三臺(tái)機(jī)器人發(fā)送停止工作的信號(hào)，得到的電位脈沖如圖12所示。

圖12 機(jī)器人運(yùn)作和停止脈沖圖

由圖12可知，當(dāng)在2.5 s發(fā)送停止工作信號(hào)給三號(hào)機(jī)器人時(shí)，三號(hào)機(jī)器人立即停止工作，在5.3 s時(shí)給與工作信號(hào)后立刻啟動(dòng)開始繼續(xù)工作。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，該系統(tǒng)可以滿足遠(yuǎn)程控制的需求，并且對(duì)在線機(jī)器人動(dòng)作指令運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)可以及時(shí)關(guān)停機(jī)器人。

4 結(jié)束語

針對(duì)機(jī)器人集群控制存在的動(dòng)作編程繁瑣，單個(gè)機(jī)器人成本較高，協(xié)同工作時(shí)不易對(duì)單個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制的問題，提出了一種新穎的集中控制技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是將單個(gè)機(jī)器人需要計(jì)算的路徑，動(dòng)作全部集中到控制中心去計(jì)算，在后期升級(jí)中也只需對(duì)控制中心進(jìn)行升級(jí)，成本低廉，控制方便。在實(shí)驗(yàn)中可以同時(shí)對(duì)3個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制，并且可以在數(shù)個(gè)機(jī)器人同時(shí)工作時(shí)對(duì)單個(gè)機(jī)器人進(jìn)行精確地控制。設(shè)計(jì)的用戶界面，也可以更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。此外該系統(tǒng)的還可以使機(jī)器人復(fù)現(xiàn)動(dòng)作，這將大大降低對(duì)機(jī)器人動(dòng)作編程的難度，對(duì)具有更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)器人動(dòng)作編程具有巨大的優(yōu)勢(shì)，并且為機(jī)器人動(dòng)作編程提供了新的思路。