現(xiàn)代智能機器人大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制對象及功能較多，集中控制和主從控制方式已不能滿足機器人對控制系統(tǒng)實時性、開放性、魯棒性等方面的要求。比較理想的控制系統(tǒng)解決方案是采用分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)，將控制功能在下位機" title="下位機">下位機分散，每個下位機完成一項特定功能，各下位機便可實現(xiàn)并行工作，這將大大提高整個系統(tǒng)的處理能力和處理速度。DCS的核心思想是集中管理、分散控制^[1]，即管理與控制分離，上位機用于集中監(jiān)控和系統(tǒng)管理，下位機分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，各上下位機之間通過控制網(wǎng)絡(luò)互連實現(xiàn)信息傳輸。顯然，采用DCS方案有如下明顯優(yōu)點：實現(xiàn)集中監(jiān)控和管理，管理與現(xiàn)場分離，管理更綜合化和系統(tǒng)化；實現(xiàn)分散控制，可使各功能模塊的設(shè)計、裝配、調(diào)試、維護獨立，系統(tǒng)控制的危險性分散，可靠性提高，投資減小；采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可根據(jù)需要增加以微處理器為核心的功能模塊，具有良好的系統(tǒng)開放性、擴展性和升級特性。
　　CAN(Controller Area Network)總線^[2]作為連接各上下位機之間的通信網(wǎng)絡(luò)，非常適用于分布式控制系統(tǒng)，因為它具有以下突出特性：CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，通信方式靈活；CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，因而具有突出的可靠性；CAN總線的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期；CAN總線結(jié)構(gòu)簡單，只有兩根信號線，掛接在總線上的設(shè)備可方便地增減，因而具有優(yōu)良的可擴展性；此外，CAN總線還有傳輸速率高、實時性強、開放性好、成本低等特點。
1 系統(tǒng)功能設(shè)計
　　本文討論的機器人屬自主式移動機器人，具有多種環(huán)境感知功能和控制功能，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)機器人、娛樂機器人、服務(wù)機器人等領(lǐng)域，通過對控制系統(tǒng)的定制和擴展，很容易實現(xiàn)某些特種機器人的功能。為此，要求該機器人的控制系統(tǒng)必須具有較好的實時性、協(xié)調(diào)性、可靠性、可擴展性、開放性和魯棒性等特性。該分布式控制系統(tǒng)具有以下功能特性：
　　·輪式移動平臺，動作敏捷迅速，可靠性高，控制特性好。
　　·語音交互功能。具有語音識別與合成功能，可進行人機語音交互，包括執(zhí)行用語音下達的命令、人機語音對話聊天、媒體(視頻、音頻)語音點播、語音信息查詢、文本語音播放等。
　　·無線網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控功能?？赏ㄟ^遠程計算機終端和無線網(wǎng)絡(luò)對機器人下達命令，實施控制；也可將機器人的狀態(tài)信息(如當(dāng)前任務(wù)、位置、速度等)，甚至是采集到的實時視頻圖像顯示在遠程監(jiān)控計算機終端上。
　　·多傳感器組合導(dǎo)航功能。具有雙目視覺及圖像處理功能，可實現(xiàn)視覺導(dǎo)航及目標的定位、跟蹤和識別；可綜合利用視覺、激光、紅外、光敏等多種傳感器信息，實現(xiàn)距離檢測、障礙物檢測、懸崖檢測、光源檢測等環(huán)境感知功能，從而實現(xiàn)軌跡跟蹤、避障、避碰、避懸崖等導(dǎo)航功能。
　　·突出的魯棒性。具有故障診斷與處理、關(guān)鍵部件雙冗余設(shè)計、多傳感器信息融合導(dǎo)航與檢測等功能，可實現(xiàn)系統(tǒng)功能模塊故障的診斷、排除或替換；可檢測和分配電量，增強生命力。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
　　基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的上位機由主控計算機及語音和圖像處理單元構(gòu)成，下位機則是由以0至7號節(jié)點控制器為核心的功能模塊所組成?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)在縱向結(jié)構(gòu)上可分為四層。決策層：主要實現(xiàn)以下功能：(1)通過無線網(wǎng)絡(luò)和語音處理系統(tǒng)(語音識別與合成)兩種方式實現(xiàn)人機交互；(2)實現(xiàn)雙目視覺圖像采集與處理；(3)對整個系統(tǒng)實施管理監(jiān)控，并對控制層及功能層的事件做出響應(yīng)?？刂茖樱簷z測各節(jié)點的工作情況，登記各節(jié)點的狀態(tài)，對發(fā)生故障的節(jié)點進行處理，對系統(tǒng)電源進行合理的分配和調(diào)度。功能層：由一個個基于MCU的節(jié)點控制器及相關(guān)電路組成的功能模塊所構(gòu)成，實現(xiàn)機器人的基本行為和感知控制。執(zhí)行層：由環(huán)境感知傳感器和執(zhí)行器組成，完成數(shù)據(jù)采集和行為動作執(zhí)行。
　　主控計算機是分布式控制系統(tǒng)的上位機，由一臺高性能PC機承擔(dān)，主要用于人機交互、系統(tǒng)管理、控制決策、任務(wù)調(diào)度、運動規(guī)劃、圖像識別與視覺導(dǎo)航等。環(huán)境感知部分由雙目視覺攝像機、激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、觸覺傳感器等傳感器組成，其中，雙目視覺傳感器可實現(xiàn)視覺導(dǎo)航、目標定位與跟蹤、人臉識別等功能。輪式移動平臺采用三組正交輪驅(qū)動，具有三個自由度，可實現(xiàn)仿人靈活移動，由移動平臺伺服控制器、PWM放大器、驅(qū)動電機和增量式光電碼盤構(gòu)成速度閉環(huán)控制。無線網(wǎng)絡(luò)采用802.11b通訊協(xié)議，可實現(xiàn)主控計算機與遠程監(jiān)控計算機的互連，一方面通過遠程計算機終端對機器人下達命令，實施控制；另一方面，也可將機器人的狀態(tài)信息(如當(dāng)前任務(wù)、位置、速度等)及實時視頻圖像顯示在遠程監(jiān)控計算機終端上?？刂葡到y(tǒng)功能圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)容錯控制與魯棒性分析
　　作為一款自主式智能機器人，其控制系統(tǒng)必須具有較好的魯棒性和容錯性。本文從控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)、人機交互方式、多傳感器信息融合、系統(tǒng)通信架構(gòu)及軟件設(shè)計等方面，提出了一套綜合解決方案，較好地滿足了系統(tǒng)的魯棒性需求。
3.1 故障診斷與處理控制器
　　在典型分布式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了一個故障診斷與處理控制器模塊(圖1中的節(jié)點0)，負責(zé)系統(tǒng)功能層節(jié)點故障的診斷處理和電源電量的檢測與分配。該控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　由于系統(tǒng)中較繁重的任務(wù)集中在控制層和功能層，因此提高其容錯性，將大大提高整個系統(tǒng)的可靠性^[3]。節(jié)點控制器發(fā)生的故障類型可分為臨時性故障和永久性故障兩種。臨時性故障指由于軟件中存在BUG，導(dǎo)致控制器“死機”或由于某種信號干擾，致使程序“跳飛”等故障。永久性故障指由于元器件發(fā)生燒毀、功能失效或電路發(fā)生短路、斷路等原因所產(chǎn)生的故障。一般而言，臨時性故障可通過系統(tǒng)復(fù)位重新啟動進行修復(fù)，而一旦發(fā)生永久性故障，則應(yīng)替換備用單元或?qū)⑵潢P(guān)閉。
　　故障診斷與處理模塊采用對功能層控制器進行定期巡檢的方式監(jiān)控其工作。該控制器以固定時間間隔(1秒～10秒之間)向功能層廣播連接請求，若各節(jié)點控制器工作正常，則回應(yīng)請求，并將它們的最新狀態(tài)信息發(fā)送給控制層，控制層便刷新節(jié)點狀態(tài)信息存儲器中這些控制器的狀態(tài)信息記錄。若在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到某節(jié)點控制器的回應(yīng)，則認為該控制器發(fā)生故障。此時，控制層對其實施復(fù)位操作，若復(fù)位后該機恢復(fù)正常工作，說明發(fā)生的是臨時性故障，控制層只需將節(jié)點狀態(tài)信息存儲器中相應(yīng)狀態(tài)信息記錄發(fā)送給該節(jié)點控制器，它便能恢復(fù)到故障前的工作狀態(tài)。若復(fù)位后也不能恢復(fù)正常工作，則說明發(fā)生了永久性故障，此時應(yīng)啟動備用單元，或關(guān)閉故障單元，切斷其電源，并將其編號對外廣播注銷。
3.2 雙冗余設(shè)計
　　容錯技術(shù)的核心是冗余技術(shù)，對關(guān)鍵部件采用備份冗余，可提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和魯棒性。當(dāng)設(shè)有備份控制器的關(guān)鍵單元發(fā)生永久性故障時，故障診斷與處理控制器便執(zhí)行以下操作：(1)控制備用單元和故障單元
　　進行熱切換；(2)控制現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的切換；(3)將故障單元最后的狀態(tài)信息記錄寫入到備用單元。
3.3 多傳感器信息融合
　　導(dǎo)航技術(shù)是移動智能機器人的核心技術(shù)之一。由圖1和圖2可見，為提高導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性，本設(shè)計采用了集雙目視覺導(dǎo)航、坐標導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、地圖匹配導(dǎo)航等多種導(dǎo)航方式于一體的組合導(dǎo)航^[4]方法，以滿足機器人對越來越高的導(dǎo)航性能及復(fù)雜環(huán)境條件下導(dǎo)航技術(shù)的要求。因為單個傳感器在環(huán)境描述方面存在以下問題：(1)只能獲得環(huán)境特征的部分信息，無法對操作環(huán)境做出全面準確的描述；(2)缺乏魯棒性，偶然故障將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作；(3)數(shù)據(jù)的可信度不高。多傳感器信息融合是指傳感器系統(tǒng)對來自多種傳感器的信息進行綜合統(tǒng)一，以產(chǎn)生更可靠、更準確的信息。該項技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決單個傳感器系統(tǒng)所面臨的問題。和單個傳感器系統(tǒng)相比，多傳感器融合系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1)可得到更全面、更準確的信息；(2)可提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性；(3)可得到描述同一環(huán)境特征的多個
　　冗余信息，可描述不同的環(huán)境特征；(4)可實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)采集和處理，提高導(dǎo)航系統(tǒng)綜合性能；(5)可增強數(shù)據(jù)可信度。
　　對多種傳感器所提供的冗余或互補信息進行融合，可獲得更加全面、準確、可靠地反映環(huán)境特征的信息，為導(dǎo)航提供快速而準確的決策依據(jù)。本系統(tǒng)的多傳感器信息融合如圖4所示。