自HALME A等于1996年首次研制出球形機器人以來，控制系統(tǒng)一直被視為球形機器人研究領域的關鍵問題。球形機器人結構的特殊性和控制方法的復雜性使目前的研究內容主要集中在動力學分析與建模和運動控制與規(guī)劃策略的設計等方面，而關于如何設計可靠的、安全的控制系統(tǒng)以降低系統(tǒng)運行時的故障率的研究卻少有涉及。

容錯控制系統(tǒng)能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。趙京等通過構造退化條件數(shù)和容錯空間影響因子等性能指標來確定使冗余度機器人具有最佳容錯操作性能的設計參數(shù)。王太勇等將冗余容錯控制理論應用于壁面爬行機器人系統(tǒng)中，將平均無故障工作時間延長1倍。而在實時嵌入式系統(tǒng)中，基于時間容錯技術設計的容錯策略對瞬間故障具有良好的容錯性能，而且占用較少的時間和存儲資源。FORSATI等綜合考慮信息容錯和時間容錯技術，并應用到電路系統(tǒng)的設計中，從而有效地降低了電路系統(tǒng)的復雜度，并在容許的時延內較大地節(jié)省了硬件資源。

因此，本文以圖l所示的球形機器人為平臺，基于容錯策略設計球形機器人的控制系統(tǒng)。圖1所示的球形機器人由球殼、框架和重擺組成，依靠兩組軸向垂直安裝的電動機改變重擺的勢能來驅動球殼的運動。該結構具有利用最少的控制輸入達到全方位行走的特點。文獻分別針對此球形機器人的動力學建模、魯棒運動控制和路徑跟蹤策略進行了研究。本文的研究內容同時也是這些研究工作的延續(xù)，是實現(xiàn)球形機器人自主運動控制的基礎。本文首先提出了球形機器人控制系統(tǒng)的結構設計方法，并在此基礎上設計復合型控制系統(tǒng)。然后基于不同的容錯技術分別設計了具有高可靠性的冗余雙備份電動機伺服控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最后通過試驗驗證控制系統(tǒng)的可行性以及容錯策略的有效性，并對結果進行具體分析和討論。

圖1 球形機器人

1 球形機器人控制系統(tǒng)的設計與分析

迄今為止，自主機器人的控制體系主要有3種典型的結構：基于功能分解和分層遞階的控制結構、基于行為控制的反應式控制結構和基于規(guī)劃和反應的混合式控制結構。分層遞階式體系結構控制結構層次清楚，較好地解決了系統(tǒng)性能和控制精度的問題，但需要對外界環(huán)境進行全面的感知和精確的建模。反應式控制結構中系統(tǒng)的各個層次均具有獨立的環(huán)境感知能力，對環(huán)境具有良好的魯棒性和適應性，但缺少全局性的指導與協(xié)調?；旌鲜娇刂平Y構將環(huán)境感知、決策控制和上層推理等功能模塊有機地結合起來，既保留了分層結構的系統(tǒng)性，又繼承了反應式結構的靈活性。因此，本文采用基于規(guī)劃和反應的混合式控制結構設計方法設計球形機器人的控制系統(tǒng)，將信息處理模塊與電動機控制結合起來，上層采用有意識規(guī)劃，底層采用基于行為的電動機控制，構成一個遞階式的控制結構。

1.1 球形機器人控制系統(tǒng)的結構設計方法

球形機器人（圖1）控制系統(tǒng)可以稱為“復合型控制系統(tǒng)”，是由控制算法和局部控制部件組成的。每個控制算法稱為基本控制器，相互之間存在上下等級和相互耦合的關系。部分能夠完成特定任務的基本控制器構成了局部復合型控制器，而球形機器人的控制系統(tǒng)正是由這些局部復合型控制器構成的。局部復合型控制器相互之間存在著局部的耦合關系，具有相互通信和信息交互的能力，在任務分配和協(xié)作方面具有自主性。為球形機器人自主運動任務設計的8個局部復合型控制器的具體含義和功能如下。

（1）移動機器人監(jiān)控單元（Mobile robotsupervision unit，MRSU）是整個控制系統(tǒng)中最高級局部控制器，擁有最高級優(yōu)先權，負責機器人傳感器的信息檢測、局部控制器的狀態(tài)協(xié)調、遠程控制命令的接收和機器人狀態(tài)信息的反饋等。

（2）電動機監(jiān)控單元（Motor supervision unit，MSU）是電動機伺服控制子系統(tǒng)中的監(jiān)督級局部控制器，能夠根據(jù)具體運動任務直接監(jiān)管下級局部控制器的運行，并檢測電動機的運行狀態(tài)。

（3）電動機控制單元（Momr control unit，MCU）負責電動機的運動控制，并接收電動機監(jiān)控單元的監(jiān)管和調度。

（4）電源監(jiān)控單元（Power supervision unit，PSU）是電源子系統(tǒng)的監(jiān)督級局部控制器，負責監(jiān)管電源的運行情況。

（5）運動決策單元（Vehicle decision unit，VDU）能夠根據(jù)任務、環(huán)境信息和導航單元的信息做出有效的決策，并通過運動控制單元控制機器人的運動。

（6）導航系統(tǒng)單元（Navigation system unit，NSU）負責兩個激光測距儀和視覺傳感器的信號檢測、融合以及設備狀態(tài)監(jiān)控等任務。

（7）運動控制單元（Vehicle control unit，VCU）執(zhí)行球形機器人速度和姿態(tài)的伺服控制。

（8）位姿觀測單元（Position attitude estimationunit，PAEU）實現(xiàn)光電編碼器與慣性測量裝置的信息融合，并對球形機器人的位姿信息進行估計。

機器人監(jiān)控單元、電源監(jiān)控單元、運動控制單元和位姿觀測單元分別對應一個實時任務，在基于高性能耐SC處理器（Advanced RISC Machines，ARM）設計的電路系統(tǒng)內運行。該電路系統(tǒng)可以稱為嵌入式控制器。運動決策單元和導航系統(tǒng)單元分別對應一個實時任務，同樣在基于ARM設計的電路系統(tǒng)內運行。該電路系統(tǒng)可以稱為環(huán)境探測器。電動機監(jiān)控單元和電動機控制單元分別對應一個實時任務，在基于數(shù)字信號處理器（Digital signalprocessor DSP）設計的電動機伺服控制器內運行。球形機器人控制系統(tǒng)邏輯結構如圖2所示。

圖2 球形機器人控制系統(tǒng)邏輯結構圖

1.2 球形機器人控制系統(tǒng)的結構分析

根據(jù)圖2提出的結構設計方法研制的球形機器人控制系統(tǒng)的主要組成部分有：伺服控制子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、導航與傳感子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、嵌入式控制子系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)等。其中伺服驅動子系統(tǒng)由電動機、減速器和電動機驅動器組成；導航和傳感子系統(tǒng)由慣性測量裝置、激光測距儀、視覺傳感器和光電編碼器組成：通信子系統(tǒng)由現(xiàn)場總線、串行總線和無線發(fā)送／接收模塊組成：嵌入式控制子系統(tǒng)由嵌入式控制器和環(huán)境探測器組成；遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過無線通信模塊實時查詢球形機器人嵌入式控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設置球形機器人的工作模式。而且，每個子系統(tǒng)的實體在具體實現(xiàn)時，并非相互獨立的。球形機器人控制系統(tǒng)的組成如圖3所示。嵌入式控制器通過控制器局域網(wǎng)（Controller area network，CAN）總線分別接收來自環(huán)境探測器的關于激光測距儀的信息和來自伺服驅動器的光電編碼器的信息，同時通過RS232總線分別接收來自慣性測量裝置和視覺傳感器的數(shù)據(jù)信息以及遠程控制信息，并對所有的信息數(shù)據(jù)進行分析和融合，根據(jù)任務和環(huán)境做出相應的決策，再通過CAN總線發(fā)送給伺服驅動器，從而控制電動機的動作。嵌入式控制器利用CAN總線和RS232總線實時監(jiān)測每個傳感器和伺服驅動器的狀態(tài)，同時通過無線模塊將系統(tǒng)的運行狀態(tài)反饋給遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3 球形機器人控制系統(tǒng)組成方框圖

2 球形機器人控制系統(tǒng)的容錯策略

球形機器人的控制系統(tǒng)是一個比較復雜的計算機控制系統(tǒng)，硬件和軟件的規(guī)模比較大，因此系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率也較大。為了降低由于軟硬件問題頻頻發(fā)生的運行故障的概率，必須努力尋求提高控制系統(tǒng)可靠性的方法。除了篩選更可靠的元器件和設備，努力提高工程技術外，本節(jié)基于容錯策略研究球形機器人伺服控制子系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計方法。

2.1 冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)的設計

本文提出了一種冗余雙備份的電動機伺服控制子系統(tǒng)。兩個電動機均為無刷直流電動機，并裝配了行星減速器和光電編碼器以及驅動控制器。伺服控制子系統(tǒng)采用兩套相同的驅動控制器在仲裁管理下共同控制一個電動機的運行模式。如果嵌入式控制器檢測到某個驅動器出現(xiàn)故障，可以利用切換電路將電動機的繞組切換到備份驅動器的繞組接口上，從而實現(xiàn)對電動機的連續(xù)控制。如圖4所示，嵌入式控制器發(fā)出的信號“Set”和“Clk”經過雙路D觸發(fā)器產生等效的“與”邏輯切換控制信號“SW”。D觸發(fā)器不僅對切換控制信號具有保持作用，而且雙D觸發(fā)器同樣采用了雙備份的設計，提高系統(tǒng)的可靠性。圖4中的3個反饋信號“M_A”、“M_B”和“M_C”經過檢測電路的邏輯組合產生3個信號，分別為“M_F”、“M&D_F”和“D_F”，并反饋回嵌入式控制器的外部中斷端口。如果嵌入式控制器檢測到這3個反饋信號中的任何1個為“事故信號”，則根據(jù)“事故”類型采取對應的措施，最“壞”的情況是通過CAN總線關閉電動機伺服驅動器。切換電路利用光耦設備控制繼電器實現(xiàn)繞組的切換。嵌入式控制器利用CAN總線實時監(jiān)控驅動控制器的運行狀態(tài)。當執(zhí)行切換任務時，可以通過觸發(fā)器控制相應光耦設備的輸出，并根據(jù)嵌入式控制器外部中斷的狀態(tài)判斷動作執(zhí)行的結果。故障檢測信號的邏輯觸發(fā)關系為：①M F=M A&MB&M_C；②M&D_F=M_A&M_B&M_C&D_F：③D_ F=Q_N_A&Q_N_B。

圖4 雙備份切換信號保持與反饋電路原理

冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)的信號關系如圖5所示。根據(jù)可靠性級別的高低，可以選擇熱備份和冷備份兩種執(zhí)行方式。熱備份是指在系統(tǒng)啟動時，同時對冗余的驅動控制器進行初始化，但它僅處于“預操作”模式。當發(fā)生切換任務時，冗余驅動控制器立即由“預操作”模式進入工作模式。冷備份則需要在切換前由嵌入式控制器對冗余驅動控制器進行初始化，再進入熱備份階段。雖然后者實時性較前者多了一個“啟動一初始化”周期，但功耗較小。冗余雙備份伺服控制器如圖6所示。

圖5 伺候驅動子系統(tǒng)邏輯圖

圖6 冗余雙備份伺服驅動器

綜上所述，球形機器人的冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)是由兩個相同的備份模塊組成的，通過故障檢測、故障定位以及系統(tǒng)恢復實現(xiàn)容錯功能。由于系統(tǒng)恢復采用重組技術，因此系統(tǒng)的冗余結構可以根據(jù)故障情況發(fā)生相應的變化。若運行的模塊（伺服控制器）發(fā)生故障，則可以通過重組備用模塊（伺服控制器）使整個系統(tǒng)恢復正常運行。在重組的過程中，7伺服控制子系統(tǒng)的運行發(fā)生了暫時中斷。

2.2 軟件系統(tǒng)的容錯策略

球形機器人控制系統(tǒng)的軟件主要采用了時間容錯和信息容錯的設計方法。時間容錯方法是以犧牲時間來換取系統(tǒng)高可靠性的一種手段。信息容錯是指為了檢測和糾正信息在運算或傳輸過程中的錯誤而外加了一部分冗余信息碼，使原來不相關的數(shù)據(jù)變?yōu)橄嚓P，并把這些冗余碼作為監(jiān)督碼與有關的信息一起傳遞，從而實現(xiàn)冗余容錯。

球形機器人控制系統(tǒng)的軟件采用兩種方式的時間容錯設計方法：一種是有限地降低系統(tǒng)的運行速度以提高系統(tǒng)的可靠性；另一種是通過重復執(zhí)行指令或者程序來檢測故障。球形機器人系統(tǒng)在運行過程中，環(huán)境等因素的變化可能導致系統(tǒng)出現(xiàn)某些故障。此時，在保證設備基本功能的范圍內，通過降低設備運行速度，可以有效地排除某些故障。例如降低嵌入式控制器查詢指令周期可以有效地減輕總線的負荷，避免由于總線堵塞而引發(fā)的故障。環(huán)境探測器的某些指令重復執(zhí)行一定的次數(shù)，可以對瞬時性故障起到過濾的作用，保證原程序繼續(xù)向前執(zhí)行。指令的重復執(zhí)行雖然增加了系統(tǒng)的運行時間，但可以有效地消除瞬時故障的影響。

球形機器入控制系統(tǒng)的通信程序采用了信息容錯技術，其檢錯和糾錯碼分別為奇偶校驗碼、校驗和以及循環(huán)冗余校驗碼。例如基于串行總線的通信設備（慣性測量裝置、激光測距儀和無線傳感器等），在數(shù)據(jù)鏈路層采用奇偶校驗碼，而在應用協(xié)議層則采用校驗和的方式。對于基于現(xiàn)場總線的通信設備（嵌入式控制器、伺服控制器和環(huán)境探測器），循環(huán)冗余校驗則是一種有效的冗余校驗方法。

圖7 球形機器人控制系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖

本文除采用時間容錯和信息容錯的方法提高系統(tǒng)軟件的可靠性外，還為運動決策子程序、運動控制子程序和雙備份切換子程序分別設計了監(jiān)控子程序用于監(jiān)視這些程序的運行狀態(tài)。監(jiān)控程序的基本流程如圖7所示，首先判斷軟件功能是否正常完成，然后通過錯誤估計判斷軟件已經執(zhí)行的功能與設計目標的偏差。如果存在較大偏差，通過影響*價來估計軟件未來的執(zhí)行結果以及主程序是否能夠完成設計目標。若預期軟件的繼續(xù)運行可以達到目標，則可以忽略該錯誤，主程序繼續(xù)運行；反之，錯誤不可忽略。這時需要調用備份程序。如果備份程序仍然不能正常工作，則提示軟件錯誤。

綜上所述，球形機器人控制系統(tǒng)軟件容錯主要有以下特點。

（1）容錯的對象是規(guī)定功能的軟件，這些功能是根據(jù)任務需求定義的，包括魯棒運動控制子程序、路徑跟蹤控制予程序和切換控制子程序等。容錯只是為了保證當編程缺陷導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠維持這些功能。如果軟件的設計是完全正確的（理想軟件），那么容錯部分將不起任何作用。

（2）容錯的能力總是有一定限度的，這是因為軟件缺陷很多是不可預見的。對于球形機器人控制系統(tǒng)而言，輸入信息的構成也極為復雜。因此，即使是軟件容錯有時會失效，有時即使不完全失效，也只是維持其部分功能作降級運行。

（3）當軟件由于自身存在缺陷而在運行中出現(xiàn)故障時，若其為容錯軟件，則能夠屏蔽這一故障，對其進行處理以避免失效。這一功能是通過故障檢測、故障恢復以及調動軟件冗余備份來實現(xiàn)的。這里所說的冗余備份，不是指球形機器人控制軟件的全部功能，而是其中的各個功能塊、子程序或程序段。這些備份程序、檢測程序和恢復程序一起統(tǒng)稱為容錯資源。一個容錯軟件實際是由規(guī)定功能的常規(guī)軟件和容錯軟件共同來實現(xiàn)的。常規(guī)軟件是主體，容錯軟件只是為了提高可靠性。

3 球形機器人控制系統(tǒng)的試驗研究

為了驗證設計的球形機器人控制系統(tǒng)的可行性，本節(jié)進行試驗研究。在試驗過程中，嵌入式控制系統(tǒng)控制球形機器人的框架保持垂直于地面的姿態(tài)，并繞中垂線勻速轉動，此時機器人像“陀螺”一樣在原地旋轉。在運動過程中每間隔約50S，遠程監(jiān)控系統(tǒng)向嵌入式控制器發(fā)出電動機伺服控制子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的信息，從而簡單地模擬實際中的情況以檢驗冗余雙備份伺服控制器的工作情況。試驗流程如圖8所示。

圖8 冗余雙備份試驗流程圖

圖8中的魯棒運動控制策略，能夠分別保證球形機器人的姿態(tài)和轉動速度收斂到期望的鄰域內，而且具有一定的魯棒性。試驗過程中旋轉運動的伺服控制子系統(tǒng)的試驗結果如下表所示。在整個試驗過程中，遠程監(jiān)控系統(tǒng)共發(fā)出了5次故障信息。初始時刻球形機器人控制系統(tǒng)采用熱備份的方式選擇“主”份電動機伺服控制器進行正常工作。當嵌入式控制器在第一次接收到“主”份電動機伺服系統(tǒng)故障信息后，通過切換電路將輸出繞組切換到“備”份電動機伺服控制器上，同時啟動“備”份電動機伺服控制器，并采用指示燈顯示和向遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報警。切換任務完成后球形機器人仍然進行正常地旋轉運動。運動約50 S后，遠程控制系統(tǒng)首先清除“主”份伺服控制器的“故障”狀態(tài)，再向嵌入式控制器發(fā)出“備”份伺服控制器故障信息。嵌入式控制器通過切換電路將輸出繞組重新切換到已經恢復正常的“主”份伺服控制器上，同時啟動“備”份電動機伺服控制器，并采用指示燈顯示和向遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報警。切換任務完成后球形機器人仍然正常地進行旋轉運動。

表 電動機伺服控制系統(tǒng)容錯試驗數(shù)據(jù)

上述“故障信息”模擬試驗重復進行了4次。當嵌入式控制器接收到“主”份和“備”份伺服控制器均出現(xiàn)故障的信息后，停止切換任務，并將自身調整到待機狀態(tài)，同時采用指示燈顯示和向遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報警。在切換過程中，機器人旋轉角速度的響應曲線如圖9所示。在每次切換任務執(zhí)行過程中，電動機的輸出受到擾動，致使機器人旋轉角速度發(fā)生變化。當切換任務完成后，執(zhí)行伺服控制任務的伺服控制系統(tǒng)調整電動機的輸出使機器人旋轉角速度重新穩(wěn)定到期望值附近。綜上所述，本文設計的冗余雙備份伺服控制系統(tǒng)成功實現(xiàn)了冗余容錯控制，最大切換時間為650IllS，且切換任務運行正常。但同時發(fā)現(xiàn)在切換過程中，球形機器人的狀態(tài)出現(xiàn)了輕微地抖動。經過試驗觀測和分析，發(fā)現(xiàn)球殼與地面接觸部分不夠光滑，同時機器人內部機構的質量分布相對于中垂線非對稱性較大，從而增強了對運動控制策略的干擾。為了克服這種現(xiàn)象，除提高機器人的裝配精度和魯棒控制策略的控制能力外，可以采用諸如預測控制、前饋控制等作為過渡控制算法以提高系統(tǒng)切換的動態(tài)特性。

圖9 雙備份切換試驗中旋轉角速度的響應曲線

結論

（1）針對球形機器人控制系統(tǒng)復雜性和結構特殊性，提出了球形機器人控制系統(tǒng)的設計方法，并將控制問題分解為s個局部控制器。這些局部控制器的集合構成了球形機器人的控制系統(tǒng)，而且局部子控制器相互之間具有通信和信息交互的能力，在任務分配和協(xié)作方面具有自主性。

（2）基于提出的控制系統(tǒng)結構，研制了球形機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，論述了各個組成部分之間的相互關系。

（3）為了提高球形機器人控制系統(tǒng)的可靠性，基于容錯控制技術研制了冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)；基于時間容錯、信息容錯和監(jiān)控軟件技術設計了軟件系統(tǒng)。試驗結果表明基于容錯策略設計的球形機器人控制系統(tǒng)是有效的、可行的。