胡浩東，尹麗菊，許文強，于同陽

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，淄博255049）

近年來，我國機器人行業(yè)迅猛發(fā)展，2017年全球機器人市場已達232 億美元，同期中國市場規(guī)模約為62．8 億美元。2012年至2017年全球市場平均增長率約為17%，同期中國市場平均增長率達到28%，我國成為全球第一大工業(yè)機器人應(yīng)用市場[1]。至2016年國務(wù)院《“十三五”規(guī)劃綱要》發(fā)布以來，對于大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的國家政策不斷出臺，機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來關(guān)鍵時刻[2]。

隨著第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）[3]標準的逐漸完善和5G 商用化的來臨，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即將迎來一波新的應(yīng)用高潮。5G 網(wǎng)絡(luò)具有極高帶寬、超低延遲和高密度連接等特點，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)真正的萬物聯(lián)網(wǎng)、永不掉線，有望實現(xiàn)許多通過舊網(wǎng)絡(luò)標準無法實現(xiàn)的新用例。

現(xiàn)在的無人機和智能車等運動型小型作業(yè)機器人大多還是需要人來進行操控作業(yè)，無法徹底的解放雙手；機器人通常采用2.4 G 射頻信號作為遙控數(shù)據(jù)通信載體，在國家標準[4]對其功率限制下，其有效距離最高也只能達到500 m 左右，控制距離較短；機器人使用了固定的規(guī)則執(zhí)行任務(wù)，需要改變?nèi)蝿?wù)時，需要重新燒錄程序，操作繁瑣，技術(shù)性要求較高。對于以上問題，亟需一個操作簡單，可定制性強的機器人控制管理系統(tǒng)。因此，本文提出了一種基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器人任務(wù)控制系統(tǒng)，并進行了仿真實驗。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器人任務(wù)控制系統(tǒng)采用上位機軟件+硬件終端的模式，將任務(wù)的發(fā)布及任務(wù)操控功能置于上位機中，終端負責控制機器人任務(wù)的具體執(zhí)行。系統(tǒng)整體采用如圖1所示的用戶端-服務(wù)器-任務(wù)控制終端-機器人控制器的結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

用戶端包括瀏覽器、PC 端和移動端，盡可能使用戶可以隨時隨地的使用本系統(tǒng)，提升用戶體驗。

服務(wù)器采用阿里云ECS 服務(wù)器。阿里云ECS 是基于阿里云飛天操作系統(tǒng)的云務(wù)器，可根據(jù)用戶需求提供彈性可伸縮的計算服務(wù)。在阿里云后臺部署Windows/Linux 操作系統(tǒng)，安裝微軟.Net Core 運行環(huán)境，開放服務(wù)器訪問端口。

為達到可定制化的要求，采用獨立的任務(wù)控制終端與機器人主控制器進行通信。任務(wù)控制終端內(nèi)置有高性能STM32 微控制器和穩(wěn)定的外圍模塊，控制機器人的任務(wù)執(zhí)行。

用戶在客戶端發(fā)布任務(wù)后，任務(wù)將會同步到服務(wù)器，服務(wù)器對相應(yīng)的任務(wù)控制器進行任務(wù)控制執(zhí)行。發(fā)布的任務(wù)會同步緩存在任務(wù)控制終端中，保證網(wǎng)絡(luò)斷開等異常狀況時，機器人同樣可以正常執(zhí)行任務(wù)。

2 硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，機器人的控制是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)提出了一種獨立的任務(wù)控制終端，承擔著服務(wù)器和機器人主控制器的通信工作，也承擔著控制機器人執(zhí)行任務(wù)的工作。為了達到硬件配置的靈活性和可定制性，任務(wù)控制終端采用模塊化的設(shè)計思路。

系統(tǒng)主要由主控制器、移動網(wǎng)絡(luò)模塊、GPS 定位模塊、高精度時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲器和擴展傳感器接口組成。設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 任務(wù)控制終端Fig.2 Task control terminal

主控制器選用意法半導體公司的STM32 系列芯片。該芯片基于32 位ARM Cortex-M 內(nèi)核[5]，性能強大，技術(shù)成熟，性價比較高，擁有豐富的硬件接口。芯片擁有多個不同性能的系列，具有極大的選擇性，非常適合作為該系統(tǒng)任務(wù)控制終端的主控制器。

移動網(wǎng)絡(luò)模塊選用中興公司的4G 通信模塊ME3760[6]。4G 網(wǎng)絡(luò)模塊通過串口與主控制器進行通信，通過AT 指令實現(xiàn)服務(wù)器與主控制器的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過測試，4G 網(wǎng)絡(luò)模塊能夠基本滿足該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能需求，等待5G 實現(xiàn)大規(guī)模部署和商用化后，將4G 網(wǎng)絡(luò)模塊替換為5G 網(wǎng)絡(luò)模塊，以5G 網(wǎng)絡(luò)極高帶寬，超低延遲和高密度連接等特點，將極大的提高本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

陀螺儀、加速度計、磁力計選擇ICM20602和AK8975 配合使用，進行任務(wù)控制終端的位置控制。三種傳感器都使用高速的SPI 接口與主控制器進行數(shù)據(jù)通信，主控制器獲取3 種傳感器的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融和姿態(tài)解算，保證機器人執(zhí)行任務(wù)中相對位置的準確性。

GPS 模塊負責地理位置采集的工作。GPS 模塊通過串口與主控制器進行通信，保證機器人任務(wù)執(zhí)行時的絕對地理位置的準確性，并且服務(wù)器對機器人進行實時地理位置監(jiān)測。

高精度時鐘模塊采用RS8025 模塊。RS8025 模塊通過I2C 總線與主控制器進行通信，周期性的對主控制器內(nèi)部的RTC 模塊進行校準。每一次任務(wù)控制終端啟動時，會與服務(wù)器進行時間同步，保證任務(wù)控制終端時間的準確性和任務(wù)執(zhí)行的實時性。

數(shù)據(jù)存儲器選用常用的SD 卡。SD 卡通過SDIO接口與主控制器進行數(shù)據(jù)通信，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。主控制器實現(xiàn)了FatFS 文件系統(tǒng)，負責任務(wù)的離線緩存和任務(wù)控制終端運行時的日志記錄。

任務(wù)控制終端選用串口、SDIO 或SPI 等數(shù)據(jù)傳輸速率較高的接口與機器人主控制器進行通信。經(jīng)過簡單的控制接口的匹配，任務(wù)控制終端就可以適配常見的機器人主控制器，具有優(yōu)秀的適配性。

任務(wù)控制終端還預(yù)留了常用傳感器的通信接口，可以擴展溫度傳感器、氣體傳感器、圖像傳感器等，能夠執(zhí)行指定的傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

通過上述模塊的組合應(yīng)用，任務(wù)控制終端能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)與服務(wù)器和機器人主控制器的數(shù)據(jù)通信，準確準時的控制機器人執(zhí)行指定的任務(wù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

為了提高機器人任務(wù)控制系統(tǒng)的智能性、穩(wěn)定性，并保證系統(tǒng)的整體性能，軟件的設(shè)計部分至關(guān)重要。為了提供友好的用戶體驗和良好的可定制性，系統(tǒng)使用了C/S 與B/S 混合軟件體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器應(yīng)用為了適應(yīng)多種服務(wù)器系統(tǒng)的部署，采用微軟全新開源跨平臺應(yīng)用框架.Net Core，使用C# 語言進行系統(tǒng)后臺應(yīng)用開發(fā)；瀏覽器端的Web 頁面采用HTML+CSS+JavaScript 相結(jié)合進行開發(fā)；PC 端使用C# 語言進行Win32 應(yīng)用開發(fā)；移動端采用Java 語言進行安卓應(yīng)用開發(fā)；任務(wù)控制終端采用C 語言結(jié)合STM32 的官方HAL 庫進行下位機應(yīng)用開發(fā)；各部分統(tǒng)一使用TCP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的相互傳輸。

3.2 軟件功能設(shè)計

3.2.1 設(shè)計核心

基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器人任務(wù)控制系統(tǒng)軟件使用了隊列先進先出FIFO（first in first out）的思想，將“任務(wù)”作為控制的基本單位，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 任務(wù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Task structure

每一個任務(wù)控制終端都會動態(tài)的分配一個任務(wù)隊列，由用戶對任務(wù)隊列中的任務(wù)進行添加、修改或刪除操作。任務(wù)列表中的任務(wù)可以順序執(zhí)行也可以循環(huán)執(zhí)行。

每一個任務(wù)由一個或多個事件組成，用戶通過添加事件來定義任務(wù)的具體執(zhí)行過程，對任務(wù)進行精細控制。

事件的基本屬性為時間和地點，這兩個屬性控制機器人的具體運動。工作為可選屬性，用戶通過添加工作屬性來實現(xiàn)機器人的傳感器采集等工作。

軟件設(shè)有任務(wù)模板庫和事件模板庫，用戶可以手動添加模板，或者將定義好的任務(wù)或事件進行收藏，減少用戶每次調(diào)整任務(wù)的工作量，方便用戶使用。

3.2.2 用戶端和服務(wù)器應(yīng)用

用戶端分為Web 端、PC 端和移動端3 個部分，他們由任務(wù)編輯界面和機器人監(jiān)控界面等界面組成。主要實現(xiàn)以下功能：①機器人任務(wù)的編輯定義和任務(wù)生存周期的控制；②機器人各項參數(shù)的實時監(jiān)控；③機器人出現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行失敗等故障的報警，任務(wù)日志的記錄查看與本地保存。

服務(wù)器端軟件主要實現(xiàn)用戶端與任務(wù)控制終端的數(shù)據(jù)同步，任務(wù)的云端緩存和不同用戶的任務(wù)控制終端的匹配。應(yīng)用采用.Net Core 框架和MySQL數(shù)據(jù)庫編寫，能夠部署于多種不同服務(wù)器系統(tǒng)中。

3.2.3 任務(wù)控制終端應(yīng)用

任務(wù)控制終端應(yīng)用采用主循環(huán)處理+中斷事件程序結(jié)構(gòu)的協(xié)作式的任務(wù)系統(tǒng)[7]，主循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

所有的任務(wù)將在主循環(huán)中得到執(zhí)行，應(yīng)用讀取緩存的任務(wù)隊列頭的任務(wù)，順次執(zhí)行其事件隊列中的事件，執(zhí)行后的事件將被移除隊列。當事件隊列隊尾事件執(zhí)行完后，將會判斷此任務(wù)是否是循環(huán)任務(wù)，若是循環(huán)任務(wù)，則重新裝載此任務(wù)到任務(wù)隊列頭，若不是則任務(wù)隊列將移除此任務(wù)，再次開始任務(wù)對列頭的任務(wù)。

圖4 控制終端執(zhí)行流程Fig.4 Control terminal execution flow chart

串口中斷函數(shù)任務(wù)：接收機器人主控制器返回的機器人的實時參數(shù)，并上傳到服務(wù)器，供用戶查看和分析。

RTC 中斷函數(shù)任務(wù)：與服務(wù)器時間進行校對，修正任務(wù)控制中斷的時間，保證任務(wù)執(zhí)行時間的準確性。

定時器中斷函數(shù)任務(wù)：在指定的時間間隔內(nèi)：①獲取陀螺儀、加速度計和磁力計的數(shù)據(jù)，進行姿態(tài)解算；②上傳任務(wù)執(zhí)行情況和任務(wù)控制終端姿態(tài)數(shù)據(jù)到服務(wù)器，方便用戶的監(jiān)測和查看；③進行任務(wù)日志的記錄。

I2C，SPI 等傳感器接口中斷函數(shù)任務(wù)：接收傳感器返回的信息，執(zhí)行相應(yīng)的傳感器任務(wù)，分析數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器。

任務(wù)控制終端應(yīng)用如此設(shè)計可以最大限度地利用CPU 的時間，以期在未來加入在線步態(tài)規(guī)劃時有充足的CPU 資源。

4 實驗仿真與結(jié)果分析

4.1 測試平臺

以上述的系統(tǒng)設(shè)計進行仿真環(huán)境搭建。云服務(wù)器部署服務(wù)端應(yīng)用，PC 機部署用戶端程序，將下位機固件燒寫入任務(wù)控制終端中，被控制機器人選用小型智能車進行測試。仿真測試平臺如圖5所示。

圖5 仿真測試平臺Fig.5 Simulation test platform

4.2 系統(tǒng)仿真測試

平臺準備無誤后，開始進行系統(tǒng)仿真測試。PC 端應(yīng)用打開后會自動測試與服務(wù)器和任務(wù)控制終端的連接是否正常，連接成功后，界面右上角顯示已連接。在用戶端對智能車發(fā)布一個圖書館到信息樓到體育場再返回圖書館的循環(huán)任務(wù)，智能車開始按照任務(wù)內(nèi)容運動且在用戶發(fā)布停止命令前無限的循環(huán)執(zhí)行。在測試過程中，智能車能夠沿著道路的邊緣直線運動，期間有一些小的偏離也可以很快的調(diào)整。用戶端能夠?qū)崟r的顯示智能車在地圖上的位置信息和任務(wù)控制終端的一些基本參數(shù)。用戶端程序運行情況如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運行界面Fig.6 System running interface

5 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)有機器人控制距離短，操作技術(shù)要求高等缺點，提出了一種新型的基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器人任務(wù)控制系統(tǒng)。經(jīng)過仿真測試，該系統(tǒng)所表現(xiàn)性能優(yōu)秀，與常用的機器人控制系統(tǒng)并無差距。并且系統(tǒng)通過移動網(wǎng)絡(luò)進行通信，突破普通控制系統(tǒng)距離的限制；任務(wù)控制終端采用模塊化設(shè)計，極大的提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和資源的利用率；采用了任務(wù)控制終端和機器人主控制器分離的設(shè)計，針對不同的任務(wù)環(huán)境要求，系統(tǒng)具有良好的適用性。實驗結(jié)果表明，基于移動網(wǎng)絡(luò)的機器人任務(wù)控制系統(tǒng)界面友好、操作簡單、可定制性強。隨著5G 時代的來臨，系統(tǒng)在智能物流等領(lǐng)域具有很強的實用價值和廣闊的應(yīng)用空間。