自HALME A等于1996年首次研制出球形機(jī)器人以來(lái)，控制系統(tǒng)一直被視為球形機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特殊性和控制方法的復(fù)雜性使目前的研究?jī)?nèi)容主要集中在動(dòng)力學(xué)分析與建模和運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃策略的設(shè)計(jì)等方面，而關(guān)于如何設(shè)計(jì)可靠的、安全的控制系統(tǒng)以降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的故障率的研究卻少有涉及。

容錯(cuò)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(guò)構(gòu)造退化條件數(shù)和容錯(cuò)空間影響因子等性能指標(biāo)來(lái)確定使冗余度機(jī)器人具有最佳容錯(cuò)操作性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。王太勇等將冗余容錯(cuò)控制理論應(yīng)用于壁面爬行機(jī)器人系統(tǒng)中，將平均無(wú)故障工作時(shí)間延長(zhǎng)1倍。而在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，基于時(shí)間容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)的容錯(cuò)策略對(duì)瞬間故障具有良好的容錯(cuò)性能，而且占用較少的時(shí)間和存儲(chǔ)資源。FORSATI等綜合考慮信息容錯(cuò)和時(shí)間容錯(cuò)技術(shù)，并應(yīng)用到電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，從而有效地降低了電路系統(tǒng)的復(fù)雜度，并在容許的時(shí)延內(nèi)較大地節(jié)省了硬件資源。

因此，本文以圖l所示的球形機(jī)器人為平臺(tái)，基于容錯(cuò)策略設(shè)計(jì)球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)。圖1所示的球形機(jī)器人由球殼、框架和重?cái)[組成，依靠?jī)山M軸向垂直安裝的電動(dòng)機(jī)改變重?cái)[的勢(shì)能來(lái)驅(qū)動(dòng)球殼的運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)具有利用最少的控制輸入達(dá)到全方位行走的特點(diǎn)。文獻(xiàn)分別針對(duì)此球形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模、魯棒運(yùn)動(dòng)控制和路徑跟蹤策略進(jìn)行了研究。本文的研究?jī)?nèi)容同時(shí)也是這些研究工作的延續(xù)，是實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。本文首先提出了球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)復(fù)合型控制系統(tǒng)。然后基于不同的容錯(cuò)技術(shù)分別設(shè)計(jì)了具有高可靠性的冗余雙備份電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性以及容錯(cuò)策略的有效性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行具體分析和討論。

圖1 球形機(jī)器人

1 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

迄今為止，自主機(jī)器人的控制體系主要有3種典型的結(jié)構(gòu)：基于功能分解和分層遞階的控制結(jié)構(gòu)、基于行為控制的反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)和基于規(guī)劃和反應(yīng)的混合式控制結(jié)構(gòu)。分層遞階式體系結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)層次清楚，較好地解決了系統(tǒng)性能和控制精度的問(wèn)題，但需要對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行全面的感知和精確的建模。反應(yīng)式控制結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)的各個(gè)層次均具有獨(dú)立的環(huán)境感知能力，對(duì)環(huán)境具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，但缺少全局性的指導(dǎo)與協(xié)調(diào)。混合式控制結(jié)構(gòu)將環(huán)境感知、決策控制和上層推理等功能模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既保留了分層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，又繼承了反應(yīng)式結(jié)構(gòu)的靈活性。因此，本文采用基于規(guī)劃和反應(yīng)的混合式控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)，將信息處理模塊與電動(dòng)機(jī)控制結(jié)合起來(lái)，上層采用有意識(shí)規(guī)劃，底層采用基于行為的電動(dòng)機(jī)控制，構(gòu)成一個(gè)遞階式的控制結(jié)構(gòu)。

1.1 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

球形機(jī)器人（圖1）控制系統(tǒng)可以稱為“復(fù)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(gè)控制算法稱為基本控制器，相互之間存在上下等級(jí)和相互耦合的關(guān)系。部分能夠完成特定任務(wù)的基本控制器構(gòu)成了局部復(fù)合型控制器，而球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)正是由這些局部復(fù)合型控制器構(gòu)成的。局部復(fù)合型控制器相互之間存在著局部的耦合關(guān)系，具有相互通信和信息交互的能力，在任務(wù)分配和協(xié)作方面具有自主性。為球形機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì)的8個(gè)局部復(fù)合型控制器的具體含義和功能如下。

（1）移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)控單元（Mobile robotsupervision unit，MRSU）是整個(gè)控制系統(tǒng)中最高級(jí)局部控制器，擁有最高級(jí)優(yōu)先權(quán)，負(fù)責(zé)機(jī)器人傳感器的信息檢測(cè)、局部控制器的狀態(tài)協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程控制命令的接收和機(jī)器人狀態(tài)信息的反饋等。

（2）電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元（Motor supervision unit，MSU）是電動(dòng)機(jī)伺服控制子系統(tǒng)中的監(jiān)督級(jí)局部控制器，能夠根據(jù)具體運(yùn)動(dòng)任務(wù)直接監(jiān)管下級(jí)局部控制器的運(yùn)行，并檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）電動(dòng)機(jī)控制單元（Momr control unit，MCU）負(fù)責(zé)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，并接收電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元的監(jiān)管和調(diào)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(jí)局部控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)管電源的運(yùn)行情況。

（5）運(yùn)動(dòng)決策單元（Vehicle decision unit，VDU）能夠根據(jù)任務(wù)、環(huán)境信息和導(dǎo)航單元的信息做出有效的決策，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

（6）導(dǎo)航系統(tǒng)單元（Navigation system unit，NSU）負(fù)責(zé)兩個(gè)激光測(cè)距儀和視覺(jué)傳感器的信號(hào)檢測(cè)、融合以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。

（7）運(yùn)動(dòng)控制單元（Vehicle control unit，VCU）執(zhí)行球形機(jī)器人速度和姿態(tài)的伺服控制。

（8）位姿觀測(cè)單元（Position attitude estimationunit，PAEU）實(shí)現(xiàn)光電編碼器與慣性測(cè)量裝置的信息融合，并對(duì)球形機(jī)器人的位姿信息進(jìn)行估計(jì)。

機(jī)器人監(jiān)控單元、電源監(jiān)控單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和位姿觀測(cè)單元分別對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，在基于高性能耐SC處理器（Advanced RISC Machines，ARM）設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。該電路系統(tǒng)可以稱為嵌入式控制器。運(yùn)動(dòng)決策單元和導(dǎo)航系統(tǒng)單元分別對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，同樣在基于ARM設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。該電路系統(tǒng)可以稱為環(huán)境探測(cè)器。電動(dòng)機(jī)監(jiān)控單元和電動(dòng)機(jī)控制單元分別對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，在基于數(shù)字信號(hào)處理器（Digital signalprocessor DSP）設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)伺服控制器內(nèi)運(yùn)行。球形機(jī)器人控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

1.2 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖2提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研制的球形機(jī)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(dǎo)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。其中伺服驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、減速器和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成；導(dǎo)航和傳感子系統(tǒng)由慣性測(cè)量裝置、激光測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器和光電編碼器組成：通信子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)總線、串行總線和無(wú)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(cè)器組成；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)時(shí)查詢球形機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)置球形機(jī)器人的工作模式。而且，每個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)體在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，并非相互獨(dú)立的。球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成如圖3所示。嵌入式控制器通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller area network，CAN）總線分別接收來(lái)自環(huán)境探測(cè)器的關(guān)于激光測(cè)距儀的信息和來(lái)自伺服驅(qū)動(dòng)器的光電編碼器的信息，同時(shí)通過(guò)RS232總線分別接收來(lái)自慣性測(cè)量裝置和視覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)信息以及遠(yuǎn)程控制信息，并對(duì)所有的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合，根據(jù)任務(wù)和環(huán)境做出相應(yīng)的決策，再通過(guò)CAN總線發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作。嵌入式控制器利用CAN總線和RS232總線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)反饋給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)組成方框圖

2 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的容錯(cuò)策略

球形機(jī)器人的控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)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(wèn)題頻頻發(fā)生的運(yùn)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(shè)備，努力提高工程技術(shù)外，本節(jié)基于容錯(cuò)策略研究球形機(jī)器人伺服控制子系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2.1 冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文提出了一種冗余雙備份的電動(dòng)機(jī)伺服控制子系統(tǒng)。兩個(gè)電動(dòng)機(jī)均為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并裝配了行星減速器和光電編碼器以及驅(qū)動(dòng)控制器。伺服控制子系統(tǒng)采用兩套相同的驅(qū)動(dòng)控制器在仲裁管理下共同控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行模式。如果嵌入式控制器檢測(cè)到某個(gè)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障，可以利用切換電路將電動(dòng)機(jī)的繞組切換到備份驅(qū)動(dòng)器的繞組接口上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)控制。如圖4所示，嵌入式控制器發(fā)出的信號(hào)“Set”和“Clk”經(jīng)過(guò)雙路D觸發(fā)器產(chǎn)生等效的“與”邏輯切換控制信號(hào)“SW”。D觸發(fā)器不僅對(duì)切換控制信號(hào)具有保持作用，而且雙D觸發(fā)器同樣采用了雙備份的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。圖4中的3個(gè)反饋信號(hào)“M_A”、“M_B”和“M_C”經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路的邏輯組合產(chǎn)生3個(gè)信號(hào)，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(cè)到這3個(gè)反饋信號(hào)中的任何1個(gè)為“事故信號(hào)”，則根據(jù)“事故”類(lèi)型采取對(duì)應(yīng)的措施，最“壞”的情況是通過(guò)CAN總線關(guān)閉電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器。切換電路利用光耦設(shè)備控制繼電器實(shí)現(xiàn)繞組的切換。嵌入式控制器利用CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行切換任務(wù)時(shí)，可以通過(guò)觸發(fā)器控制相應(yīng)光耦設(shè)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(dòng)作執(zhí)行的結(jié)果。故障檢測(cè)信號(hào)的邏輯觸發(fā)關(guān)系為：①M(fèi) 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(hào)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(hào)關(guān)系如圖5所示。根據(jù)可靠性級(jí)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(dòng)時(shí)，同時(shí)對(duì)冗余的驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行初始化，但它僅處于“預(yù)操作”模式。當(dāng)發(fā)生切換任務(wù)時(shí)，冗余驅(qū)動(dòng)控制器立即由“預(yù)操作”模式進(jìn)入工作模式。冷備份則需要在切換前由嵌入式控制器對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行初始化，再進(jìn)入熱備份階段。雖然后者實(shí)時(shí)性較前者多了一個(gè)“啟動(dòng)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(qū)動(dòng)子系統(tǒng)邏輯圖

圖6 冗余雙備份伺服驅(qū)動(dòng)器

綜上所述，球形機(jī)器人的冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)是由兩個(gè)相同的備份模塊組成的，通過(guò)故障檢測(cè)、故障定位以及系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能。由于系統(tǒng)恢復(fù)采用重組技術(shù)，因此系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)可以根據(jù)故障情況發(fā)生相應(yīng)的變化。若運(yùn)行的模塊（伺服控制器）發(fā)生故障，則可以通過(guò)重組備用模塊（伺服控制器）使整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。在重組的過(guò)程中，7伺服控制子系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)生了暫時(shí)中斷。

2.2 軟件系統(tǒng)的容錯(cuò)策略

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件主要采用了時(shí)間容錯(cuò)和信息容錯(cuò)的設(shè)計(jì)方法。時(shí)間容錯(cuò)方法是以犧牲時(shí)間來(lái)?yè)Q取系統(tǒng)高可靠性的一種手段。信息容錯(cuò)是指為了檢測(cè)和糾正信息在運(yùn)算或傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤而外加了一部分冗余信息碼，使原來(lái)不相關(guān)的數(shù)據(jù)變?yōu)橄嚓P(guān)，并把這些冗余碼作為監(jiān)督碼與有關(guān)的信息一起傳遞，從而實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)。

球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件采用兩種方式的時(shí)間容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法：一種是有限地降低系統(tǒng)的運(yùn)行速度以提高系統(tǒng)的可靠性；另一種是通過(guò)重復(fù)執(zhí)行指令或者程序來(lái)檢測(cè)故障。球形機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境等因素的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)某些故障。此時(shí)，在保證設(shè)備基本功能的范圍內(nèi)，通過(guò)降低設(shè)備運(yùn)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(fù)荷，避免由于總線堵塞而引發(fā)的故障。環(huán)境探測(cè)器的某些指令重復(fù)執(zhí)行一定的次數(shù)，可以對(duì)瞬時(shí)性故障起到過(guò)濾的作用，保證原程序繼續(xù)向前執(zhí)行。指令的重復(fù)執(zhí)行雖然增加了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，但可以有效地消除瞬時(shí)故障的影響。

球形機(jī)器入控制系統(tǒng)的通信程序采用了信息容錯(cuò)技術(shù)，其檢錯(cuò)和糾錯(cuò)碼分別為奇偶校驗(yàn)碼、校驗(yàn)和以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。例如基于串行總線的通信設(shè)備（慣性測(cè)量裝置、激光測(cè)距儀和無(wú)線傳感器等），在數(shù)據(jù)鏈路層采用奇偶校驗(yàn)碼，而在應(yīng)用協(xié)議層則采用校驗(yàn)和的方式。對(duì)于基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信設(shè)備（嵌入式控制器、伺服控制器和環(huán)境探測(cè)器），循環(huán)冗余校驗(yàn)則是一種有效的冗余校驗(yàn)方法。

圖7 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖

本文除采用時(shí)間容錯(cuò)和信息容錯(cuò)的方法提高系統(tǒng)軟件的可靠性外，還為運(yùn)動(dòng)決策子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序和雙備份切換子程序分別設(shè)計(jì)了監(jiān)控子程序用于監(jiān)視這些程序的運(yùn)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(guò)錯(cuò)誤估計(jì)判斷軟件已經(jīng)執(zhí)行的功能與設(shè)計(jì)目標(biāo)的偏差。如果存在較大偏差，通過(guò)影響*價(jià)來(lái)估計(jì)軟件未來(lái)的執(zhí)行結(jié)果以及主程序是否能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。若預(yù)期軟件的繼續(xù)運(yùn)行可以達(dá)到目標(biāo)，則可以忽略該錯(cuò)誤，主程序繼續(xù)運(yùn)行；反之，錯(cuò)誤不可忽略。這時(shí)需要調(diào)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(cuò)誤。

綜上所述，球形機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件容錯(cuò)主要有以下特點(diǎn)。

（1）容錯(cuò)的對(duì)象是規(guī)定功能的軟件，這些功能是根據(jù)任務(wù)需求定義的，包括魯棒運(yùn)動(dòng)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(cuò)只是為了保證當(dāng)編程缺陷導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠維持這些功能。如果軟件的設(shè)計(jì)是完全正確的（理想軟件），那么容錯(cuò)部分將不起任何作用。

（2）容錯(cuò)的能力總是有一定限度的，這是因?yàn)檐浖毕莺芏嗍遣豢深A(yù)見(jiàn)的。對(duì)于球形機(jī)器人控制系統(tǒng)而言，輸入信息的構(gòu)成也極為復(fù)雜。因此，即使是軟件容錯(cuò)有時(shí)會(huì)失效，有時(shí)即使不完全失效，也只是維持其部分功能作降級(jí)運(yùn)行。

（3）當(dāng)軟件由于自身存在缺陷而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，若其為容錯(cuò)軟件，則能夠屏蔽這一故障，對(duì)其進(jìn)行處理以避免失效。這一功能是通過(guò)故障檢測(cè)、故障恢復(fù)以及調(diào)動(dòng)軟件冗余備份來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這里所說(shuō)的冗余備份，不是指球形機(jī)器人控制軟件的全部功能，而是其中的各個(gè)功能塊、子程序或程序段。這些備份程序、檢測(cè)程序和恢復(fù)程序一起統(tǒng)稱為容錯(cuò)資源。一個(gè)容錯(cuò)軟件實(shí)際是由規(guī)定功能的常規(guī)軟件和容錯(cuò)軟件共同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常規(guī)軟件是主體，容錯(cuò)軟件只是為了提高可靠性。

3 球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性，本節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過(guò)程中，嵌入式控制系統(tǒng)控制球形機(jī)器人的框架保持垂直于地面的姿態(tài)，并繞中垂線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)器人像“陀螺”一樣在原地旋轉(zhuǎn)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每間隔約50S，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)向嵌入式控制器發(fā)出電動(dòng)機(jī)伺服控制子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的信息，從而簡(jiǎn)單地模擬實(shí)際中的情況以檢驗(yàn)冗余雙備份伺服控制器的工作情況。試驗(yàn)流程如圖8所示。

圖8 冗余雙備份試驗(yàn)流程圖

圖8中的魯棒運(yùn)動(dòng)控制策略，能夠分別保證球形機(jī)器人的姿態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度收斂到期望的鄰域內(nèi)，而且具有一定的魯棒性。試驗(yàn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服控制子系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)共發(fā)出了5次故障信息。初始時(shí)刻球形機(jī)器人控制系統(tǒng)采用熱備份的方式選擇“主”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器進(jìn)行正常工作。當(dāng)嵌入式控制器在第一次接收到“主”份電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)故障信息后，通過(guò)切換電路將輸出繞組切換到“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器上，同時(shí)啟動(dòng)“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器，并采用指示燈顯示和向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報(bào)警。切換任務(wù)完成后球形機(jī)器人仍然進(jìn)行正常地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)約50 S后，遠(yuǎn)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(guò)切換電路將輸出繞組重新切換到已經(jīng)恢復(fù)正常的“主”份伺服控制器上，同時(shí)啟動(dòng)“備”份電動(dòng)機(jī)伺服控制器，并采用指示燈顯示和向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報(bào)警。切換任務(wù)完成后球形機(jī)器人仍然正常地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

表 電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)容錯(cuò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

上述“故障信息”模擬試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了4次。當(dāng)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(wù)，并將自身調(diào)整到待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)采用指示燈顯示和向遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送信息的方式報(bào)警。在切換過(guò)程中，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度的響應(yīng)曲線如圖9所示。在每次切換任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的輸出受到擾動(dòng)，致使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)生變化。當(dāng)切換任務(wù)完成后，執(zhí)行伺服控制任務(wù)的伺服控制系統(tǒng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角速度重新穩(wěn)定到期望值附近。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的冗余雙備份伺服控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了冗余容錯(cuò)控制，最大切換時(shí)間為650IllS，且切換任務(wù)運(yùn)行正常。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)在切換過(guò)程中，球形機(jī)器人的狀態(tài)出現(xiàn)了輕微地抖動(dòng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)球殼與地面接觸部分不夠光滑，同時(shí)機(jī)器人內(nèi)部機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布相對(duì)于中垂線非對(duì)稱性較大，從而增強(qiáng)了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制策略的干擾。為了克服這種現(xiàn)象，除提高機(jī)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(yù)測(cè)控制、前饋控制等作為過(guò)渡控制算法以提高系統(tǒng)切換的動(dòng)態(tài)特性。

圖9 雙備份切換試驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)角速度的響應(yīng)曲線

結(jié)論

（1）針對(duì)球形機(jī)器人控制系統(tǒng)復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)特殊性，提出了球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并將控制問(wèn)題分解為s個(gè)局部控制器。這些局部控制器的集合構(gòu)成了球形機(jī)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(wù)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(jié)構(gòu)，研制了球形機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)，論述了各個(gè)組成部分之間的相互關(guān)系。

（3）為了提高球形機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性，基于容錯(cuò)控制技術(shù)研制了冗余雙備份伺服控制子系統(tǒng)；基于時(shí)間容錯(cuò)、信息容錯(cuò)和監(jiān)控軟件技術(shù)設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明基于容錯(cuò)策略設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)是有效的、可行的。