瑚琦 夏志遷 雷航 汪敏

摘要：針對目前集中結(jié)構(gòu)和多層式架構(gòu)控制系統(tǒng)實時性較低、容錯能力較弱等問題，根據(jù)六足機器人系統(tǒng)對控制性能的要求，提出一種將多智體概念應(yīng)用于嵌入式六足機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。該方法利用多智體相關(guān)概念分析、求解分布式多處理器機器人控制問題。與傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)相比，基于MAS建立的分布式控制結(jié)構(gòu)機器人系統(tǒng)有容錯性強、集成能力強、可擴展性強等優(yōu)點。智能體以嵌入式微控制器ARM為硬件核心，以μC /OS-Ⅱ和Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，各智能體通過CAN總線實現(xiàn)互連和信息交互，共同協(xié)調(diào)完成控制任務(wù)，實現(xiàn)無線控制與視頻傳輸功能。經(jīng)實驗證明，該設(shè)計可以有效提高機器人控制性能，并且具有可移植性、可靠性及實時性強等優(yōu)點，為多處理器復(fù)雜控制系統(tǒng)提供了一種將系統(tǒng)功能定義到具體實現(xiàn)的有效解決方案。

關(guān)鍵詞：多智體;六足機器人;嵌入式系統(tǒng);CAN總線;操作系統(tǒng)

Design Method of Embedded Hexapod Robot System Based on Multi?Agent

HU Qi， XIA Zhi?qian， LEI Hang， WANG Min

（School of Optical?Electrical Information and Computer Engineering， University

of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：According to the requirements of six?legs robot system for control performance，we present a new design to solve the problem that traditional centralized architecture and multi?layer robot architecture are poor in real?time performance and weak fault tolerance. The new design is based on multi?agent system （MAS） concept ， which uses the multi?agent concept to analyze and solve the distributed multi?processor robot control problem. Compared with the traditional centralized architecture and multi?layer robot architecture， the MAS?based distributed control structure has strong fault tolerance， integrated ability， scalability and other advantages. The agent takes the micro?controller ARM as the hardware core， the embedded real?time operating system μC/OS?Ⅱ and Linux as the software platform. The agents can realize the interconnection and information interaction through the CAN bus， coordinate and complete the control tasks， and realize the wireless control and video transmission function. Experimental results prove that the design can improve the robot control performance effectively， and has the advantages of portability， reliability and real?time. The paper also provides an effective solution for the design of complex embedded controllers from the definition of system functions to the realization of platform construction.

Key Words：Multi?Agent; six?legged robot; embedded system; CAN bus; operating system

0?引言

機器人有廣闊的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于太空探索[1?2]、防災(zāi)救援[3]、反恐排爆[4]及在人類不能到達的或?qū)θ梭w有危害的作業(yè)環(huán)境中替代人類工作。相較于常見的輪式機器人和履帶式輪式機器人，多足步行機器人可留下離散運動軌跡，運動時可在地面上選擇最佳支撐點，對崎嶇地形適應(yīng)性強，因此關(guān)于多足步行機器人的研究蓬勃發(fā)展。傳統(tǒng)多足機器人的集中結(jié)構(gòu)和多層式系統(tǒng)模型的設(shè)計，受限于機器人精確建模困難、計算量大、實時性和魯棒性弱等問題，機器人整體控制性能較差[5?8]。

基于多處理器結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)可實現(xiàn)復(fù)雜控制的應(yīng)用，特別是作為多自由度系統(tǒng)的六足機器人，然而由于受到關(guān)鍵系統(tǒng)功能需求和約束，實際系統(tǒng)設(shè)計的難度也超出原先預(yù)期。多智能體（Multi-Agent）是分析和求解該類分布式控制問題的有效方法。智能體最早由計算機科學(xué)家馬文·明斯基（Marvin Lee Minsky）提出，被認(rèn)為是一個自治物理或抽象的實體，能夠感知自身周圍環(huán)境因素，經(jīng)過思考作出反應(yīng)，達到預(yù)期目的?；诙嘀悄荏w方法構(gòu)造的集散控制結(jié)構(gòu)機器人系統(tǒng)有顯著優(yōu)勢：控制任務(wù)劃分清晰、控制系統(tǒng)魯棒性強、系統(tǒng)功能易擴展、開發(fā)難度降低[9]。

本文為實現(xiàn)嵌入式六足機器人控制系統(tǒng)，利用多智體方法設(shè)計一套基于多處理器的六足機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)與面向單處理器的六足機器人設(shè)計不同， 將控制智體概念應(yīng)用于嵌入式控制器設(shè)計，可形成一套高效、清晰的解決方案。最后通過實驗測試該控制器體性能，并驗證基于多智體的方法在復(fù)雜嵌入式控制器軟硬件設(shè)計中的有效性。

1?基于多智能體的機器人系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建方法

在基于多智能體的機器人操作控制中，智能體作為自主控制單元，從傳感器獲取目標(biāo)任務(wù)環(huán)境信息，獨立采取適當(dāng)?shù)目刂菩袨?，并可與其它智能體互相配合完成預(yù)定任務(wù)。從系統(tǒng)整體角度看，目標(biāo)任務(wù)是智能體通過功能分布和并行執(zhí)行完成。

構(gòu)建基于多智能體的操作機器人控制系統(tǒng)時，首先考慮智能體定義，定義智能體指將所有需要實現(xiàn)的控制任務(wù)映射于智能體實體，進而實現(xiàn)機器人控制功能，智能體的定義需綜合考慮功能模塊劃分、軟硬件實現(xiàn)形式等因素，最后根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，給出恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)架構(gòu)。常見有基于關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和基于分層結(jié)構(gòu)的定義方法，功能定義是否清晰決定控制系統(tǒng)成敗，實際多智能體控制系統(tǒng)應(yīng)基于這兩種混合式系統(tǒng);其次需考慮智能體之間的協(xié)同機制，智能體在完成目標(biāo)任務(wù)的過程中，為使智能體群協(xié)同運作，必須進行同步通信并共享信息資源，消除之間的沖突。常見的協(xié)同機制有中心式（Centralized）和去中心式（Decentralized）。在中心式控制系統(tǒng)中，需要一個控制智能體協(xié)調(diào)其它智能體，去中心式通過完善的多主通信協(xié)議使各個智能體平等交互信息。

在具體實現(xiàn)中，需要軟硬件協(xié)同處理的方法[10]。硬件層次上，控制智體的實現(xiàn)需要相關(guān)物理結(jié)構(gòu)的支持， 需要根據(jù)智體任務(wù)目標(biāo)難易程度和實際情況，選擇合適的CPU計算資源、內(nèi)存資源、傳感器和通信接口等;軟件層次上，控制智體的目標(biāo)任務(wù)具體實現(xiàn)可借助實時操作系統(tǒng)（RTOS）多任務(wù)處理和任務(wù)間協(xié)調(diào)機制，增強智體任務(wù)處理實時性和并發(fā)性，根據(jù)任務(wù)實際情況分配獨立的任務(wù)堆棧和任務(wù)優(yōu)先級，多智體實現(xiàn)流程如圖2所示。在實際開發(fā)中，多智體間通信協(xié)議接口也是需慎重考慮的因素，協(xié)議應(yīng)匹配MAS系統(tǒng)特點，如分布式、魯棒性和易擴展性，好的協(xié)議簡單、容易實施。實際應(yīng)用表明，CAN現(xiàn)場總線非常適用于多控制器機器人應(yīng)用[11]，CAN（Controller Area Network）是一種結(jié)構(gòu)簡單、符合ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通訊協(xié)議，由于其優(yōu)秀的協(xié)議架構(gòu)，在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，適合迅速構(gòu)建實時多主式分布式控制系統(tǒng)。

2?六足機器人系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)中的六足機器人每條腿都有3個旋轉(zhuǎn)自由度，由直流舵機驅(qū)動，由于六足機器人每條腿都是一個相互獨立整體，結(jié)合仿生控制模型與多智能體方法，將控制系統(tǒng)總體設(shè)計為中心式協(xié)調(diào)機制的二級智體架構(gòu)，一級智體為中央?yún)f(xié)調(diào)Agent ， 二級智體由6個歸一化設(shè)計的運動伺服Agent組成，如圖1所示。

中央?yún)f(xié)調(diào)Agent負(fù)責(zé)處理復(fù)雜高級控制視覺信息任務(wù)及規(guī)劃具體工作任務(wù)等與運動控制無關(guān)的工作，盡量將更多涉及運動學(xué)、動力學(xué)及 PID 算法的運動控制功能放在腿部底層運動伺服Agent中，這樣各層控制器之間任務(wù)分配合理，可大幅提高機器人實時性。

中央?yún)f(xié)調(diào)Agent控制器通過無線通信接收操控者控制指令信息，并及時向操控者傳送機器人實時存儲的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時通過機身慣性測量 IMU 單元得到的數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算與調(diào)節(jié)，并接收來自運動伺服Agent通過CAN通信總線發(fā)送的關(guān)節(jié)信息及足部壓力信息[12]，通過步態(tài)規(guī)劃、位置控制及阻抗控制等算法求解得到機器人關(guān)節(jié)序列，發(fā)送到運動伺服Agent。運動伺服Agent接收關(guān)節(jié)序列信息，結(jié)合自身對各個腿單元傳感器采集處理得到的數(shù)據(jù)，對驅(qū)動機構(gòu)進行位置與力的伺服控制，并把采得的數(shù)據(jù)反饋給中央?yún)f(xié)調(diào)Agent。

3?六足機器人硬件設(shè)計

運動伺服Agent控制器硬件原理如圖3所示，采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RET6微控制器作為處理器，時鐘運行頻率可達72MHz，微控制器共有4個16位定時器，可產(chǎn)生驅(qū)動舵機的PWM波，同時芯片提供豐富的I2C、SPI外圍接口，方便連接外部傳感器模塊，且芯片內(nèi)部集成2.0B的CAN控制器，無需外接獨立的控制器芯片，有利于減少制版面積，降低系統(tǒng)功耗，增強系統(tǒng)抗干擾能力，CAN電平信號收發(fā)由CAN驅(qū)動器TJA1050實現(xiàn)。

舵機驅(qū)動信號是微控制器配置定時器產(chǎn)生的PWM波，運動伺服Agent各產(chǎn)生3組PWM信號。STM32是低功耗芯片，PWM波最高電壓只有3.3V，而舵機所需的PWM波最高電壓是 4.5V～5.5V。所以，需將微處理器產(chǎn)生的PWM信號進行電壓轉(zhuǎn)換，電壓轉(zhuǎn)換模塊由TL291-4光耦芯片和SN74LS04反向器芯片組成，該電路優(yōu)點是光耦可實現(xiàn)控制信號與驅(qū)動信號的電氣隔離，減少的對主控芯片的干擾;反相器可略去輸入信號紋波，使輸出驅(qū)動信號更加穩(wěn)定。

為使機器人足部關(guān)節(jié)及時反饋舵機即時轉(zhuǎn)角，在六足機器人關(guān)節(jié)控制算法的實現(xiàn)中添加角度傳感器，舵機轉(zhuǎn)動時帶動角度傳感器運動，改變角度傳感器電位器滑頭位置，改變電位器輸出的電壓，控制器通過采集電位器對應(yīng)的電壓得到此時舵機轉(zhuǎn)角。機器人足端設(shè)有壓力開關(guān)，當(dāng)足端接觸地面并達到一定壓力時，會按下按鍵產(chǎn)生接觸信號，控制芯片通過檢測接觸信號，判斷機器人足端是否接觸到地面，增加足端接觸檢測可確保機器人在行走過程中機器人足端接觸地面牢靠，使機器人行走更加平穩(wěn)。

中央?yún)f(xié)調(diào)Agent控制器硬件原理如圖4所示，本系統(tǒng)選擇SamsungARM Cortex-A9四核CPU的Exynos4412， 主頻達到1.4～1.6GHz，處理器提供豐富的外圍接口，如WLAN、藍牙、GPS、CMOS圖像傳感器等，并且芯片提供2D和3D圖形處理器、視頻處理和集成電源管理，可為系統(tǒng)后期視覺處理單元構(gòu)建提供堅實硬件基礎(chǔ)。中央?yún)f(xié)調(diào)Agent控制器選擇獨立的CAN控制器MCP2515，主控芯片通過SPI接口與其通信， SN65HVD230是TI公司生產(chǎn)的配套CAN驅(qū)動器，負(fù)責(zé)CAN電平信號收發(fā)。為增強系統(tǒng)設(shè)備通用性，圖像模塊和無線傳輸模塊選擇USB接口設(shè)備。

4?軟件設(shè)計

4.1?六足機器人中央?yún)f(xié)調(diào)Agent

中央?yún)f(xié)調(diào)Agent軟件設(shè)計包括嵌入式平臺搭建、驅(qū)動設(shè)備移植、遠(yuǎn)程視頻傳輸與無線控制。

本部分簡要介紹嵌入式平臺搭建。嵌入式平臺搭建包括4個要素：工具鏈、引導(dǎo)加載程序、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)[13]。工具鏈主要用于將源代碼編譯成目標(biāo)設(shè)備運行，主要包括Binutils、GNU編譯器集合和C庫;引導(dǎo)加載程序（Boot Loader）是嵌入式設(shè)備在啟動后執(zhí)行的第一段程序，作用是基本系統(tǒng)初始化和內(nèi)核載入;內(nèi)核是操作系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)管理資源及硬件接口的組件，在平臺搭建過程中，需根據(jù)項目需要進行內(nèi)核裁剪，然后對應(yīng)硬件平臺生成內(nèi)核鏡像UImage;在根文件系統(tǒng)中，根目錄文件系統(tǒng)是系統(tǒng)默認(rèn)的目錄結(jié)構(gòu)，固定地將系統(tǒng)啟動時所需文件放在指定位置。

（1）驅(qū)動設(shè)備移植。本系統(tǒng)主要外圍硬件為USB攝像、USB無線網(wǎng)卡和CAN驅(qū)動。Linux系統(tǒng)USB攝像頭分為兩種：GSPCA標(biāo)準(zhǔn)和UVC標(biāo)準(zhǔn)。GSPCA是早期USB攝像頭的標(biāo)準(zhǔn)，需將攝像頭驅(qū)動加入內(nèi)核后重新編譯;UVC是Microsoft和一些主流設(shè)備廠商共同定義的、為USB視頻捕獲設(shè)備的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，Linux 2.6后的內(nèi)核包含UVC驅(qū)動，并且默認(rèn)配置UVC選擇，符合UVC規(guī)格硬件設(shè)備要求，支持免驅(qū)使用，本文選擇UVC標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭。

Linux下無線網(wǎng)卡分為SDIO-WiFi和USB無線網(wǎng)卡，相較于USB網(wǎng)卡，SDIO-WiFi生產(chǎn)商很少，資料也較少，不利于系統(tǒng)快速開發(fā)，本系統(tǒng)選擇一款USB無線網(wǎng)卡雷凌3070，芯片型號ralink3070。

移植步驟包括：①進行內(nèi)核配置，將Ralink driver support選型設(shè)為M，把Ranlink相關(guān)選型設(shè)置為空，下載雷凌最新USB驅(qū)動，拷備到Linux目錄并解壓，進入該目錄，打開Makefile，芯片ID設(shè)為與其對應(yīng)的CHIPSET = 3070，修改config.mk文件，令編譯源碼HAS_WPA_SUPPLICANT=y，把RT2870STA.dat、rt3070sta.ko拷貝到/etc/Wireless/RT2870STA目錄下， 并在啟動文件中加載該驅(qū)動，執(zhí)行ifconfig ra0 up 啟動無線網(wǎng)卡;②再執(zhí)行ifconfig ra0 192.168.1.230 netmask 255.255.255.0，為網(wǎng)卡設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼。執(zhí)行iwlist ra0 scan進行掃描無線網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行iwpriv ra0 SSID="xxx"連接到SSID為“XXX”的AP中，執(zhí)行route add default gw 192.168.1.1，添加網(wǎng)卡，即完成機器人無線接入。

本文使用SPI子系統(tǒng)注冊MCP2515 CAN總線驅(qū)動[14]，MCP2515在Linux內(nèi)核中實現(xiàn)了Socket CAN驅(qū)動，只要通過配置MCP2515芯片內(nèi)核選項，即可使用MCP2515 CAN總線進行Socket編程。 Socket CAN是在Linux下實現(xiàn)的一種CAN協(xié)議， Socket CAN使用Socket接口和Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，該方法允許CAN設(shè)備驅(qū)動程序通過網(wǎng)絡(luò)接口進行調(diào)用。

（2）視頻監(jiān)控與控制功能。視頻監(jiān)控與控制功能采用B/S架構(gòu)，上位機通過瀏覽器獲取機器人狀態(tài)信息和下達命令。網(wǎng)頁視頻監(jiān)控需搭建基于HTTP協(xié)議的Web服務(wù)器，本系統(tǒng)使用BOA作為嵌入式的Web服務(wù)器，BOA本身不支持視頻服務(wù)，故選用Mjpg-streamer作為視頻服務(wù)軟件;控制功能通過CGI應(yīng)用程序與Web頁面交互，CGI程序?qū)⒖刂泼钔ㄟ^CAN向運動伺服Agent發(fā)送指令，運動伺服Agent定時上傳機器人狀態(tài)，并發(fā)布到網(wǎng)頁端。

Mjpg-streamer視頻服務(wù)器是一個輕量級視頻服務(wù)器軟件，可用于基于IP的網(wǎng)絡(luò)中，從攝像頭獲取并傳輸JPEG圖像到瀏覽器或客戶服務(wù)端。Mjep-streamer依賴于JPEG庫，因此，移植Mjep-streamer需要先移植Libjpeg庫。移植步驟[15?16]包括：①移植Libjpeg庫。解壓代碼并進入該目錄，使用命令 ./configure –host=arm-linux –prefix=/usr&&make ， 將頭文件jerror.h、jmorecfg.h、jpeglib.h、jconfig.h復(fù)制到交叉編譯工具鏈的include目錄中，將動態(tài)庫“.libs/libjepg.so”復(fù)制到交叉編譯工具鏈用戶庫目錄中，將動態(tài)庫復(fù)制到開發(fā)板文件系統(tǒng)中;②移植Mjep-streamer。解壓代碼并進入該目錄，修改頂層Makefile文件和plujins目錄的各層級Makefile文件，將文件中所有CC=gcc變更為CC=arm-linux-gcc，執(zhí)行make命令進行編譯，復(fù)制相關(guān)庫文件到開發(fā)板，執(zhí)行如下命令：#cp *.so /nfs/rootfs/usr/lib -d?#cp mjep-steamer /nfs/rootfs/usr/bin

BOA網(wǎng)頁服務(wù)器是一個小巧高效的Web服務(wù)器，是一個在Unix或Linux上運行的單任務(wù)HTTP服務(wù)器，支持CGI，適用于嵌入式系統(tǒng)。具體移植步驟如下：①從官網(wǎng)獲得源碼包后解壓并進入源碼目錄，使用命令 ./configure 生成Makefile文件，修改Makefile文件，找到CC=gcc后改為CC = arm-linux-gcc ， 再找到CPP = gcc -E ，將其改為CPP= arm-linux-gcc -E，修改生成config.h，注釋以下兩行：#define HAVE_TM_GMTFF 1 #define HAVE_TM_ZONE 1;使用命令make編譯源碼，將BOA復(fù)制到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/usr/sbin目錄下;②完成BOA配置，使其能夠支持CGI程序執(zhí)行。先在開發(fā)板的/etc目錄下建立Boa目錄，把Boa的配置文件boa.conf復(fù)制到該目錄中。

4.2?運動伺服Agent 軟件設(shè)計

μC/OS II是一個可基于 ROM運行的實時多任務(wù)操作系統(tǒng) [17]。該系統(tǒng)控制移植了μC/OS II操作系統(tǒng)，用以管理整體片上資源和多任務(wù)運行。運動伺服Agent控制器軟件任務(wù)主要包括：腿部狀態(tài)上傳任務(wù)、任務(wù)命令解析任務(wù)、運動控制任務(wù)、傳感信息采集、空閑任務(wù)等，程序流程如圖5所示。

運動控制任務(wù)是 50ms 周期任務(wù)，作為運動控制系統(tǒng)核心任務(wù)，其主要功能是按照操控下達的控制命令，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和控制策略，生成底層單足控制系統(tǒng)所需的關(guān)節(jié)角度控制量;任務(wù)命令解析主要負(fù)責(zé)接收CAN消息時，并解析控制命令，通過消息隊列將信息發(fā)送給運動控制任務(wù);傳感器采集任務(wù)時需收集關(guān)節(jié)角度信息和壓力信息，通過消息隊列給腿部狀態(tài)上傳任務(wù)，由上傳任務(wù)上傳機器人腿部信息;空閑任務(wù)是操作系統(tǒng)空閑任務(wù)，當(dāng)沒有其它任務(wù)運行時，執(zhí)行該任務(wù)。

5?實驗結(jié)果

根據(jù)六足機器人軟硬件研究和設(shè)計，制作出機器人樣機（見圖6），并對機器人控制系統(tǒng)的功能和控制算法進行驗證，結(jié)果顯示控制系統(tǒng)具有良好的可靠性與實時性，該實驗結(jié)果驗證了機器人系統(tǒng)良好的運動性能，該性能是實現(xiàn)后續(xù)復(fù)雜功能的基礎(chǔ)和保障。

6?結(jié)語

本文從軟硬件協(xié)同的角度，將多智體方法應(yīng)用于多處理器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，總結(jié)基于多智體的設(shè)計流程，借助多處理架構(gòu)和實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人控制系統(tǒng)從設(shè)計方法到實際構(gòu)建的轉(zhuǎn)換與分布式智能結(jié)構(gòu)及具有并行計算能力的機器人控制系統(tǒng)，對多智體方法應(yīng)用于其它領(lǐng)域具有重要理論和實際意義。

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