自HALMEA即是1996年初次研制出球形机器人以来，控制系统始终被视为球形机器人研讨范畴的关键问题。球形机器人布局的特殊性跟节制方式的复杂性使现阶段的研讨内容次要集合正在动力学剖析与建模跟运动节制与计划战略的计划等方面，而对于若何计划靠得住的、平安的控制系统以降低体系运转时的故障率的研讨却少有波及。

容错控制系统可能无效天进步体系的可靠性跟安全性。赵京等经由过程机关退化前提数跟容错空间影响因子等性能指标去肯定使冗余度机器人存在最好容错操纵机能的计划参数。王太勇等将冗余容错节制实际使用于壁面匍匐机器人体系中，将均匀无故障事情工夫延伸1倍。而正在及时嵌入式体系中，基于工夫容错技巧计划的容错战略对霎时毛病存在优越的容错性能，并且占用较少的工夫跟存储资源。FORSATI等综合思量信息容错跟工夫容错技巧，并使用到电路系统的计划中，从而无效天降低了电路系统的复杂度，并正在允许的时延内较大天节俭了硬件资源。

是以，本文以图l所示的球形机器人为平台，基于容错战略计划球形机器人的控制系统。图1所示的球形机器人由球壳、框架跟重摆构成，依赖两组轴向垂直装置的电动机转变重摆的势能去驱动球壳的运动。该布局存在应用起码的节制输入到达全方位行走的特色。文献离别针对此球形机器人的动力学建模、鲁棒运动节制跟门路跟踪战略停止了研讨。本文的研讨内容同时也是这些研讨事情的持续，是实现球形机器人自主运动节制的根底。本文起首提出了球形机器人控制系统的结构设计方式，并正在此基础上计划复合型控制系统。然后基于分歧的容错技巧离别计划了存在高可靠性的冗余单备份电动机伺服控制系统跟软件系统。最初经由过程实验验证控制系统的可行性和容错战略的有效性，并对成果停止具体分析跟探讨。

图1球形机器人

迄今为止，自立机器人的节制系统次要有3种典范的布局：基于功用分化跟分层递阶的控制结构、基于行动节制的反应式控制结构跟基于计划跟反映的混合式控制结构。分层递阶式体系结构控制结构条理清晰，较好地解决了体系机能跟控制精度的问题，但须要对外界情况停止周全的感知跟正确的建模。反应式控制结构中体系的各个条理均存在自力的情况感知才能，对情况存在优越的鲁棒性跟适应性，但短少全局性的指点与调和。混合式控制结构将情况感知、决策控制跟上层推理等功能模块无机天联合起来，既保存了分层布局的系统性，又继续了反应式布局的灵活性。是以，本文采取基于计划跟反映的混合式控制结构计划方式计划球形机器人的控制系统，将信息处理模块与电动机节制联合起来，上层采取无意识计划，底层采取基于行动的电动机节制，组成一个递阶式的控制结构。

1.1球形机器人控制系统的结构设计方式

球形机器人控制系统可以称为“复合型控制系统”，是由控制算法跟部分控制部件构成的。每一个控制算法称为根本控制器，相互之间存在高低等级跟彼此耦合的关联。部门可能实现特定使命的根本控制器组成了部分复合型控制器，而球形机器人的控制系统恰是由这些部分复合型控制器组成的。部分复合型控制器相互之间存在着部分的耦合关联，存在彼此通讯跟信息交互的才能，正在任务分配跟协作方面存在自主性。为球形机器人自主运动使命计划的8个部分复合型控制器的详细含意跟功用以下。

移动机器人监控单位（Mobilerobotsupervisionunit，MRSU）是全部控制系统中第一流部分控制器，拥有第一流优先权，担任机器人传感器的信息检测、部分控制器的形态调和、近程节制下令的吸收跟机器人形态信息的反应等。

电动机监控单位（Motorsupervisionunit，MSU）是电动机伺服节制子系统中的监视级部分控制器，可能依据详细运动使命间接羁系上级部分控制器的运转，并检测电动机的运转形态。

电动机节制单位（Momrcontrolunit，MCU）担任电动机的运动节制，并吸收电动机监控单位的羁系跟调理。

电源监控单位（Powersupervisionunit，PSU）是电源子系统的监视级部分控制器，担任羁系电源的运转环境。

运动决议计划单位（Vehicledecisionunit，VDU）可能依据使命、情况信息跟导航单位的信息做出无效的决议计划，并经由过程运动节制单位节制机器人的运动。

导航系统单位（Navigationsystemunit，NSU）担任两个激光测距仪跟视觉传感器的旌旗灯号检测、融会和设备形态监控等使命。

运动节制单位（Vehiclecontrolunit，VCU）履行球形机器人速率跟姿态的伺服节制。

位姿观察单位（Positionattitudeestimationunit，PAEU）实现光电编码器与惯性丈量安装的信息融会，并对球形机器人的位姿信息停止估量。

机器人监控单位、电源监控单位、运动节制单位跟位姿观察单位离别对应一个及时使命，正在基于高性能耐SC处理器（AdvancedRISCMachines，ARM）计划的电路系统内运转。该电路系统可以称为嵌入式控制器。运动决议计划单位跟导航系统单位离别对应一个及时使命，一样正在基于ARM计划的电路系统内运转。该电路系统可以称为情况探测器。电动机监控单位跟电动机节制单位离别对应一个及时使命，正在基于数字信号处理器（DigitalsignalprocessorDSP）计划的电动机伺服控制器内运转。球形机器人控制系统逻辑布局如图2所示。

图2球形机器人控制系统逻辑结构图

1.2球形机器人控制系统的布局剖析

依据图2提出的结构设计方式研制的球形机器人控制系统的次要组成部分有：伺服节制子系统、电源子系统、导航与传感子系统、通讯子系统、嵌入式节制子系统跟近程控制系统等。此中伺服驱动子系统由电动机、减速器跟电动机驱动器构成；导航跟传感子系统由惯性丈量安装、激光测距仪、视觉传感器跟光电编码器构成：通讯子系统由现场总线、串行总线跟无线发送／吸收模块构成：嵌入式节制子系统由嵌入式控制器跟情况探测器构成；近程监控体系可能经由过程无线通信模块及时查问球形机器人嵌入式控制系统的事情形态，设置球形机器人的事情形式。并且，每一个子系统的实体正在详细实现时，并不是彼此自力的。球形机器人控制系统的构成如图3所示。嵌入式控制器经由过程控制器局域网（Controllerareanetwork，CAN）总线离别吸收来自情况探测器的对于激光测距仪的信息跟来自伺服驱动器的光电编码器的信息，同时经由过程RS232总线离别吸收来自惯性丈量安装跟视觉传感器的数据信息和近程节制信息，并对一切的信息数据停止剖析跟融会，依据使命跟情况做出响应的决议计划，再经由过程CAN总线发送给伺服驱动器，从而节制电动机的举措。嵌入式控制器应用CAN总线跟RS232总线及时监测每一个传感器跟伺服驱动器的形态，同时经由过程无线模块将体系的运转形态反应给近程监控体系。

图3球形机器人控制系统构成方框图

球形机器人的控制系统是一个比较复杂的计算机控制系统，硬件跟软件的范围比力年夜，是以体系呈现毛病的概率也较大。为了降低因为软硬件问题反复产生的运转毛病的概率，必需尽力追求进步控制系统可靠性的方式。除挑选更靠得住的元器件跟设备，努力提高工程技术中，本节基于容错战略研讨球形机器人伺服节制子系统跟软件系统的计划方式。

2.1冗余单备份伺服节制子系统的计划

本文提出了一种冗余单备份的电动机伺服节制子系统。两个电动机均为无刷直流电念头，并拆卸了行星减速器跟光电编码器和驱动控制器。伺服节制子系统采取两套不异的驱动控制器正在仲裁经管下配合节制一个电动机的运转形式。若是嵌入式控制器检测到某个驱动器呈现毛病，可以应用切换电路将电动机的绕组切换到备份驱动器的绕组接口上，从而实现对电动机的接连节制。如图4所示，嵌入式控制器收回的旌旗灯号“Set”跟“Clk”颠末双路D触发器发生等效的“与”逻辑切换节制旌旗灯号“SW”。D触发器不只对切换节制旌旗灯号存在连结作用，并且单D触发器一样采取了单备份的计划，进步体系的可靠性。图4中的3个反应旌旗灯号“M_A”、“M_B”跟“M_C”颠末检测电路的逻辑组合发生3个旌旗灯号，离别为“M_F”、“MD_F”跟“D_F”，并反应回嵌入式控制器的内部中止端口。若是嵌入式控制器检测到那3个反应旌旗灯号中的任何1个为“变乱旌旗灯号”，则依据“变乱”类型采用对应的步伐，最“坏”的环境是经由过程CAN总线关闭电动机伺服驱动器。切换电路利用光耦设备节制继电器实现绕组的切换。嵌入式控制器应用CAN总线及时监控驱动控制器的运转形态。当履行切换使命时，可以经由过程触发器节制响应光耦设备的输出，并依据嵌入式控制器内部中止的形态断定举措履行的成果。毛病检测旌旗灯号的逻辑触发关联为：①MF=MAMBM_C；②MD_F=M_AM_BM_CD_F：③D_F=Q_N_AQ_N_B。

图4单备份切换旌旗灯号连结与反应电路原理

冗余单备份伺服节制子系统的旌旗灯号关联如图5所示。依据可靠性级别的上下，可以取舍热备份跟冷备份两种履行方法。热备份是指正在系统启动时，同时对冗余的驱动控制器停止初始化，但它仅处于“预操纵”形式。当产生切换使命时，冗余驱动控制器立刻由“预操纵”形式进入事情形式。冷备份则须要正在切换前由嵌入式控制器对冗余驱动控制器停止初始化，再进入热备份阶段。虽然后者实时性较前者多了一个“启动一初始化”周期，但功耗较小。冗余单备份伺服控制器如图6所示。

图5服侍驱动子系统逻辑图

图6冗余单备份伺服驱动器

综上所述，球形机器人的冗余单备份伺服节制子系统是由两个不异的备份模块构成的，经由过程毛病检测、毛病定位和体系规复实现容错功用。因为体系规复采取重组技巧，是以体系的冗余布局可以依据毛病环境产生响应的变更。若运转的模块产生毛病，则可以经由过程重组备用模块使全部体系恢复正常运转。正在重组的进程中，7伺服节制子系统的运转产生了临时中止。

2.2软件系统的容错战略

球形机器人控制系统的软件次要采取了工夫容错跟信息容错的计划方式。工夫容错方式是以就义工夫去换取体系高可靠性的一种手腕。信息容错是指为了检测跟改正信息正在运算或传输进程中的毛病而外加了一部分冗余信息码，使本来没有相关的数据变成相关，并把这些冗余码作为监视码与有关的信息一路传送，从而实现冗余容错。

球形机器人控制系统的软件采取两种方法的工夫容错计划方式：一种是有限天降低体系的运转速率以进步体系的可靠性；另一种是经由过程反复履行指令或许顺序去检测毛病。球形机器人体系正在运转进程中，情况等因素的变更能够导致系统呈现某些毛病。此时，正在保障设备基本功能的规模内，经由过程降低设备运转速率，可以无效天消除某些毛病。例如降低嵌入式控制器查问指令周期可以无效天加重总线的负荷，制止因为总线拥塞而引发的毛病。情况探测器的某些指令反复履行必然的次数，可以对瞬时性毛病起到过滤的作用，保障原程序继承向前履行。指令的反复履行虽然增长了体系的运转工夫，但可以无效天消弭刹时毛病的影响。

球形机械进控制系统的通讯顺序采取了信息容错技巧，其检错跟纠错码离别为奇偶校验码、校验跟和轮回冗余校验码。例如基于串行总线的通讯设备（惯性丈量安装、激光测距仪跟无线传感器等），正在数据链路层采取奇偶校验码，而正在使用和谈层则采取校验跟的方法。关于基于现场总线的通讯设备（嵌入式控制器、伺服控制器跟情况探测器），轮回冗余校验则是一种无效的冗余校验方式。

图7球形机器人控制系统监控顺序流程图

本文除采取工夫容错跟信息容错的方式进步系统软件的可靠性中，借为运动决议计划子程序、运动节制子程序跟单备份切换子程序离别计划了监控子程序用于监督这些顺序的运转形态。监控顺序的根本流程如图7所示，起首断定软件功用是不是畸形实现，然后经由过程毛病估量断定软件曾经履行的功用与计划方针的误差。若是存在较大误差，经由过程影响*价来估量软件将来的履行成果和主程序是不是可能实现计划方针。若预期软件的继承运转可以达到目标，则可以疏忽该毛病，主程序继承运转；反之，毛病不成疏忽。这时候须要挪用备份顺序。若是备份顺序依然不克不及畸形事情，则提醒软件毛病。

综上所述，球形机器人控制系统软件容错次要有以下特色。

容错的工具是划定功用的软件，这些功用是依据使命需要界说的，包罗鲁棒运动节制子程序、门路跟踪节制予顺序跟切换节制子程序等。容错只是为了保障当编程缺陷导致系统呈现毛病时，可能保持这些功用。若是软件的计划是完全正确的，那么容错部门将不起任何作用。

容错的才能老是有必然限度的，那是因为软件缺陷良多是不成预感的。关于球形机器人控制系统而言，输入信息的组成也极为庞大。是以，即便是软件容错有时会生效，有时即便没有完整生效，也只是保持其部门功用作降级运行。

当软件因为自身存在缺陷而正在运转中呈现毛病时，若其为容错软件，则可能屏障这一毛病，对其停止处置惩罚以制止生效。这一功用是经由过程毛病检测、毛病规复和变更软件冗余备份去实现的。这里所说的冗余备份，不是指球形机器人控制软件的悉数功用，而是此中的各个功能块、子程序或程序段。这些备份顺序、检测顺序跟恢复程序一路统称为容错资源。一个容错软件实际是由划定功用的通例软件跟容错软件配合去实现的。通例软件是主体，容错软件只是为了进步可靠性。

为了验证计划的球形机器人控制系统的可行性，本节停止实验研讨。正在实验进程中，嵌入式控制系统节制球形机器人的框架连结垂直于空中的姿态，并绕中垂线匀速转动，此时机器人像“陀螺”一样正在原地扭转。正在运动进程中每距离约50S，近程监控体系向嵌入式控制器收回电动机伺服节制子系统呈现毛病的信息，从而简略天模拟实际中的环境以磨练冗余单备份伺服控制器的事情环境。实验流程如图8所示。

图8冗余单备份实验流程图

图8中的鲁棒运动控制策略，可能离别保障球形机器人的姿态跟迁移转变速率收敛到期冀的邻域内，并且存在必然的鲁棒性。实验进程中扭转运动的伺服节制子系统的实验成果以下表所示。正在全部实验进程中，近程监控体系共收回了5次毛病信息。初始时辰球形机器人控制系统采取热备份的方法取舍“主”份电动机伺服控制器停止畸形事情。当嵌入式控制器正在第一次吸收到“主”份电动机伺服系统毛病信息后，经由过程切换电路将输出绕组切换到“备”份电动机伺服控制器上，同时启动“备”份电动机伺服控制器，并采取指示灯显现跟向近程监控体系发送信息的方法报警。切换使命实现后球形机器人依然停止畸形天扭转运动。运动约50S后，近程控制系统起首消除“主”份伺服控制器的“毛病”形态，再向嵌入式控制器收回“备”份伺服控制器毛病信息。嵌入式控制器经由过程切换电路将输出绕组从头切换到曾经恢复正常的“主”份伺服控制器上，同时启动“备”份电动机伺服控制器，并采取指示灯显现跟向近程监控体系发送信息的方法报警。切换使命实现后球形机器人依然畸形天停止扭转运动。

表电动机伺服控制系统容错实验数据

上述“毛病信息”模拟实验反复停止了4次。当嵌入式控制器接收到“主”份跟“备”份伺服控制器均呈现毛病的信息后，终止切换使命，并将自身调剂到待机形态，同时采取指示灯显现跟向近程监控体系发送信息的方法报警。正在切换进程中，机器人扭转角速度的相应曲线如图9所示。正在每次切换使命履行进程中，电动机的输出遭到扰动，致使机器人扭转角速度发生变化。当切换使命实现后，履行伺服节制使命的伺服控制系统调剂电动机的输出使机器人扭转角速度从头不变到期望值四周。综上所述，本文计划的冗余单备份伺服控制系统胜利实现了冗余容错节制，最大切换工夫为650IllS，且切换使命运转畸形。但同时发明正在切换进程中，球形机器人的形态呈现了稍微天颤动。颠末实验观察跟剖析，发明球壳与空中打仗部门不敷润滑，同时机器人外部机构的质量漫衍绝对于中垂线非对称性较大，从而加强了对运动控制策略的滋扰。为了克制这类景象，除进步机器人的拆卸精度跟鲁棒控制战略的控制能力中，可以采取诸如猜测节制、前馈节制等作为过渡控制算法以进步体系切换的静态特性。

图9单备份切换实验中扭转角速度的相应曲线

论断

针对球形机器人控制系统复杂性跟布局特殊性，提出了球形机器人控制系统的计划方式，并将节制问题分化为s个部分控制器。这些部分控制器的鸠合组成了球形机器人的控制系统，并且部分子控制器相互之间存在通讯跟信息交互的才能，正在任务分配跟协作方面存在自主性。

基于提出的控制系统布局，研制了球形机器人的嵌入式控制系统，阐述了各个组成部分之间的彼此关联。

为了进步球形机器人控制系统的可靠性，基于容错控制技术研制了冗余单备份伺服节制子系统；基于工夫容错、信息容错跟监控软件技术计划了软件系统。实验结果表明基于容错战略计划的球形机器人控制系统是无效的、可行的。