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面向迎宾机器人组件化系统的建模与控制研究

张镇  
【摘要】:近年来,机器人技术已经快速向非工业领域应用延伸,其中迎宾机器人作为服务机器人家族中的一个重要成员,由于其活动空间大,被广泛应用于迎宾、导游、导购、安保等领域。机器人面向动态非结构环境、提供的服务种类多样,并且需要集成不同的功能组件以完成特定的任务,这使迎宾机器人具有极大的灵活性和不确定性。在国际范围内,虽然研究人员已经开发出多款迎宾机器人样机,但由于缺乏组件化、标准化技术支持,使得迎宾机器人系统开发成本高、设计周期长、扩展性差,难以真正普及。机器人技术中间件(Robot technology middleware,RTM)能够有效屏蔽操作系统、开发语言和网络协议的差异,为机器人系统开发提供多种通信和服务机制,是解决迎宾机器人组件化设计、消除机器人系统异构性问题的有效途径之一,目前已成为国际机器人研究的热点领域。但迎宾机器人在采用RTM实施组件化设计的过程中也出现了新的问题:(1)在基于RTM的机器人系统中,组件间通过调用契约化的功能接口实现互操作,一旦任务序列确定,提供服务的组件集也随之确定,对于非结构环境中的作业的迎宾机器人来说,缺乏动态协同管理组件的能力;(2)系统内部各个组件的行为活动具有异步、并发等特性,随着系统内部组件的数量不断增多,协调控制全部组件可靠的完成工作将变得越来越复杂,需要采用形式化建模的方法对机器人系统进行描述,通过精确的数学模型描述系统内部组件的行为关系,分析预测系统在运行过程中的各种情况,保证迎宾机器人组件化系统(Guide Robot Component System)的稳定运行。 本论文针对GR组件化系统在实际应用中的问题和要求,跟进机器人系统组件化设计的发展趋势,综合机器人中间件、Petri网形式化建模等技术,研究迎宾机器人组件化系统的设计开发的方法和理论,设计开发出了GR组件化原型系统,并进行了相关的实验验证。 论文的主要研究内容如下: 1) GR组件化系统协同仿真控制系统的设计与实现:针对GR组件化系统多组件灵活集成的任务需求,研制了以CORBA为软总线、以机器人技术中间件(RTM)为基础构架的迎宾机器人组件化协同仿真控制系统,开发出了GR组件化原型系统,实现了机器人在智能餐厅环境中的迎宾、顾客引导、物品送递等功能。 2)基于市场机制的机器人组件动态协调控制:提出了一种基于市场招投标机制的模块协调控制方法,负责动态环境下GR在任务执行过程中因为外界环境、组件部分失效或通信阻塞等情况的应急处理,保障系统可靠运行。 3)基于模块化Petri网(Modular Petri Net, MPN)的GR组件化系统形式化建模与分析:针对GR组件化系统内部具有异步、并发的组件行为的特点,为保障系统的可靠运行,提出基于MPN理论的GR组件化系统任务模型,并给出了组件化Petri网针对GR系统的可达性、死锁特性的分析方法,用以分析和预测系统可能出现的各种状态,为GR系统组件化协同编程的合理性提供保障。 本论文将MPN理论应用于以机器人中间件为基础的GR组件化系统中,有效地分析和预测了机器人系统内组件协同编程、执行过程中的可达的行为状态空间,为使用者在系统集成与组件任务协同编制过程中提供必要的设计依据,为迎宾机器人组件化系统的快速设计与稳定运行提供保障。论文的研究成果将促进GR组件化系统早日进入实际应用,具有一定的经济价值和社会意义。


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