移动机器人控制软件的设计与实现.doc

1、移动机器人控制软件的设计和实现 移动机器人的使用现在非常多，做一个移动机器人似乎也很容易， 车体自己可以加工，也可以去买现成的；避障可以用超声阵列；导 航可以用激光测距 LMS；定位可以用电子地图加 LMS 加陀螺仪； 驱动可以用各种电机及配套驱动器或者自己做；通讯可以去买现成 的无线通讯模块，可以是数字的，也有模拟的；大范围定位可以用 GPS 模块，也是现成的；至于什么红外，蓝牙，甚至计算机视觉都 可以去市场上买，但是（然而）为什么做一个移动机器人还是这么 难呢？尤其是对一个新手而言。一个老外说过，硬件是现成的，软 件算法杂志里有的是，很多可以在网上当，但即使是一个博士生也 要花费很长的时间

2、完成一个实际可用的移动机器人。为什么？因为 机器人使用的困难在使用软件的设计上。前面那个老外也说过，现 在什么都可以在网上当，唯独使用程序不能。有过自己写移动机器 人程序的人可能会理解这段话，当然也仅仅是可能，因为不排除有 很多机器人大拿一上来就可以写出很棒的移动机器人软件。 移动机器人的控制软件开发是和硬件紧密相关的，甚至和机器人的 体系结构也密切相关，同样是移动机器人，有的是用 PC 控制的， 有的是用多个嵌入式系统实现的，有的则是多机器人协同工作的， 操作系统有人会用 DOS，有人会用 Windows，有人会用 Linux， 有人会用 Embeded Operation System。硬

3、件平台有的用 x86， 有的用 ARM 芯片，有的会用 DSP，通讯里面会有串口，TCP/IP 网络，无线以太网，红外，蓝牙等，甚至驱动机构也不一样，有的 是用腿，有的是用轮子，即使是轮子也有好多种情况，两个轮子， 三个轮子（包括两个独立驱动轮一个随动轮，或者两个同步驱动轮 一个转向轮等），四个轮子，五个轮子等等，有的是集中控制的体 系结构，有的是分布式控制的体系结构。使用也不同，有智能行走 的，有人远程控制的，也有人机结合的，诸如此类，这样看来，移 动机器人使用程序的开发的确是很复杂，“无法从网上直接当了”， 看来只能自己从头开始编写代码了这一条路好走了。 的确如此，但自己从头编程序也存在一

4、个问题，那就是如何着手。 我们写文章希望有模板，同样写机器人使用程序也希望能有一个模 板，按照模板的约定，把自己编写的模块嵌进去，就可以得到一个 使用程序了。可惜程序设计里面的模板无法移植到机器人程序设计 领域，但是我们可以采用一个框架，在这个框架的规范下，我们写 的模块或者利用他人写的模块进行组合就可以得到一个合理的使用 程序。 框架的概念很广，可大可小，大的可以做到像 J2EE 或者 CORBA 那么复杂，做企业级开发，小的则只能在一个 CPU 上构件一个简单 的使用程序。我在开发移动机器人的时候设计了一种简单框架，专 门用来给采用 PC 对机器人进行集中控制的情况下编写使用程序。 在我的

5、博士论文（在个人主页里可以找到）里则设计了一种较复杂 的框架，可以采用 P2P 技术实现多机器人或多系统的软件使用开发， 而我现在正打算设计一种更通用，更复杂的，可以实现多平台，多 CPU，多系统环境下的移动机器人使用快速开发，包括框架和中间 件技术。这里只是先介绍一下目前正在使用的那个 PC 用的软件框 架。 值的一提的是，国内外已经有很多人在做或者已经做过这方面的工 作了，我写在这里的目的只是为了和大家交流。由于最近时间很紧 张，每次只能写一小点，所以打算分数次把这部分内容介绍完，主 要包括框架的模型，模块的接口定义，模块之间的通讯，动态模块 的加载和配置，以及采用该框架实现的移动机器人使

6、用举例，并提 供相应的框架的源代码。 1、引言 我们初次编写机器人软件，通常有种“老虎啃天，无处下嘴”的感觉。 编写移动机器人程序和普通程序稍有不同，因为通常意义上的移动 机器人程序都是多任务，实时的，甚至是分布式的。我们可以很容 易的在计算机终端上显示出“Hello，world”，也可以毫不费力的在 移动机器人的液晶屏上显示出“Hello, World”，但是一边让机器人 行走，一边要避障，同时还要处理通讯、定位等工作就决不是那么 容易了。这个时候我们需要的就是框架了。 2、面向移动机器人的使用程序框架 2.1、什么是框架？ 我的理解中，软件里框架的概念很有点像计算机硬件里面的主板， 它提供

7、了系统运行所需要的电源，通讯等手段，并且所有符合总线 协议的卡都可以往主板上插，从而实现所需要的功能和性能。例如 把数据采集卡查到主板上，计算机就具有了数据采集的能力；把视 频卡插到主板上，计算机就具有了压缩视频的功能，此外还有显卡， 声卡，网卡，电视卡，运动控制卡，传真卡等等。软件里的框架也 是如此，它有点类似中间件的概念，提供了相当程度的代码支持， 同时也定义了一些规范，这些规范包括通讯协议，模块的接口定义 等。用户可以自己编写模块，也可以使用别人已经写好的模块，通 过框架的运行，带动模块的运行，从而实现一些预期的功能。由此 可见，框架必定是一种集成工具，其自身是一个完整的使用程序， 而且

8、可以通过模块来扩展使用系统的功能和改进其性能；或者说， 框架提供了使用程序的入口和出口，并能够根据配置，加载相关的 模块实现功能的扩展和性能的提高。其中，功能的扩展通过编写新 的模块实现；性能提高则通过对原有模块进行升级实现。 框架和体系结构之间存在着微妙的关系，一方面可以说框架和体系 结构无关，例如同样用 MFC，可以开发出各种体系结构的软件系统 来；另一方面，框架和体系结构又结合的那么的紧密，例如 J2EE 是一种框架，而看到 J2EE 就令人想起了分布式的体系结构。 CORBA 亦是如此。主板和体系结构之间的关系就更令人弄不清了。 因此我认为执着的追求框架和体系结构的区别是没有意义的，关

9、键 在于如何设计框架，使它更好用，效率更高。 2.2、框架的设计 框架设计的好坏对系统性能的影响当然非常重要，应当仔细考虑， 全面分析，更重要的是能够在实践的过程中不断的进行改进。目前 我设计的这个软件框架比较简单，适合比较简单的使用，当然可以 在此基础上进行进一步的完善，使之能够适应更复杂使用的开发。 1、R.A. Brooks 的包容体系结构和分层递阶体系结构 首先让我们来看看目前移动机器人所主要采用的体系结构。移动机 器人目前所采用控制软件的体系结构可以分为三类：一类是分层递 阶式结构，一类是包容体系结构，最后一类是上述两种结构的综合。 在分层递阶体系结构中，它把各种模块安排成若干个层次

10、，使不同 层次的模块具有不同的工作性能和操作方式，一般说来，位于高层 的模块负责复杂的判断、推理等操作，其智能化程度较高；而较低 的层次用于和外界交互，具有较强的实时响应能力，因此在底层往 往是一些视觉，驱动，传感，伺服等工作模块。其中具有代表性的 是 Saridis 的三级模型，即执行级，协调级和组织管理级等。分层 递接体系结构主要特点是层次向上，智能增加，精度降低，实时性 降低；层次向下则相反。分层递接结构能够较好的解决智能和控制 精度的关系，因此获得了广泛的使用，但也有一些明显的缺陷，最 主要的是它的反应性极差，因为处理问题的能力主要由高层解决， 需要自下而上然后自上而下的来回过程，从而

11、失去了高度智能性的 实时反应能力。为了解决这个问题，R.A.Brooks 提出了包容体系 结构。 包容体系结构结构图如下图所示： 和分层递接结构相比，包容体系结构是一种水平分片的结构，它的 主要特点是按照“任务和行为” 进行分类，把系统分解为若干个子系 统，每个子系统不是技术功能模块，而是能够独立产生动作行为的 系统；每个子系统都能够直接接收传感器信号，也可以直接产生行 为动作；每个子系统平行工作，由一个协调机制负责集成，从而产 生总体的行为。该体系结构设计目标为多任务，鲁棒性，可扩展性 以及较强的可判断性。其基本设计思想来源于 Brooks 对智能的理 解，即他认为能产生复杂行为的机器内部其

12、控制系统不一定是复杂 的，复杂的行为仅仅是复杂环境的反射；一个自主式智能系统必须 具有永久的生存能力等。 Brooks 采用包容式体系结构，构造了多种机器人，这些机器人能 够实现其设计目标，表现出较强的智能行为，因此包容式体系结构 在智能机器人领域产生了极大的影响，对传统人工智能（基于符号 和推理）产生了强烈的冲击。但包容体系结构也存在不足之处，那 就是功能层次之间缺乏协调和组织，尽管在局部行为上表现出灵活 的反应能力和鲁棒性，但对长远目标和全局性的目标跟踪缺乏主动 性；而且限制了对知识的运用，包括人的知识。因此，最近许多研 究人员提出了一些新的体系结构，基本上是在包容体系结构的基础 上集成了

13、传统人工智能的方法，或者以分层递接为骨架，在每一层 次上引入了类似包容体系结构的布置，提高每一层次的响应能力。 我把此类体系结构归于第三类。 分析分层递接结构和包容体系结构，不难发现，两者都是基于模块 的基础之上构建的，不同之处在于分层递接结构中的模块是功能模 块，而包容体系结构中的模块是行为模块。但即使是行为模块也是 由一些功能模块组合实现的，因此模块实际上是所有体系结构的基 础，不同之处就在于如何组织这些模块，使其能够发挥其在整个智 能机器人体系中的作用。本项目在借鉴包容体系结构的基础上，结 合多智能体技术，提出了一种基于模块协同的体系结构。在此体系 结构中，模块既可以是功能模块，也可以是

14、行为模块，对模块的唯 一要求是其必须能够主动的对输入的信号进行处理，并产生响应 （类似智能体，即 Agent）。体系结构如下图所示 2、移动机器人控制软件框架的设计 框架的设计一方面考虑了对体系结构的支持，另一方面又打算尽量 和体系结构保持一定的独立性，所以对框架做了高度的抽象，整体 框架被抽象成了三个部分，即 Platform 平台、Module 模块和 Wire 通讯连线等。整个框架的结构（部分）如下图所示。 其中 Platform 类负责模块的加载，对模块的配置以及模块之间通 讯的建立，Platform 对象是整个使用程序的入口（有 Main 函数） 和出口，并不考虑体系结构和机器人功能

15、的实现，这些都是模块和 配置实现的。Module 定义了模块应该遵守的接口，和模块要实现 的基本功能。模块和 Applet 类似，有初始化 init，开始 start，停 止 Stop 和退出 Destroy 等行为，该接口没有定义模块应该实现哪 些功能，这些是模块的具体实现应该考虑的，模块里有两个很重要 的变量，分别是该模块的 ModuleDoc 和端口 Ports。ModuleDoc 描述了该模块的具体配置信息，例如和硬件通讯时使用的串口名称， 或者是网络地址，IP 地址，也可能是其他需要传递给具体模块的参 数，其中最重要的是模块的名称，用来在系统中唯一的标识模块用 的，不能重复；其次是该

16、模块的实现类，供 Platform 在加载该模 块的时候实例化所需。端口 Port 是模块必须具备的，一个模块至少 有一个端口，端口分为输入端口和输出端口，是模块之间通讯的唯 一途径。端口也是一个接口，符合该接口的任意实现类都可以作为 端口来供模块使用，目前端口是硬编码在模块的代码中的，因此一 旦模块编码完毕，使用何种端口也就确定不可更改了。在后续研究 中可以考虑把端口和模块的实现分离开来，在系统运行时动态组合， 实现更灵活的配置。下图是模块的一个典型配置。模块实现的基本 操作是根据输入的数据进行处理后，从输出端口把数据输送出去， 当然数据处理的过程可能很复杂，例如可能是图像识别，也可能是 障

17、碍物检测，有些还需要进行网络数据库等操作等；有些模块没有 输入端口，例如一些人机接口模块（操作面板）；也有些模块没有 输出端口，例如图形化显示模块等。 整个软件的功能是由模块决定的，确切的说是由模块之间的协作实 现的，模块之间的协作，则是利用端口之间的通讯实现的。在本系 统中，端口之间通过虚拟的“线” 连接起来的，在系统中用 WireConfig 来表示，线从输出端口引出，可以连接至多个不同的 输入端口；不同线之间可能会存在着交点，根据不同的方式，交点 有不同的类型，如下图所示。在输入端口的交点称之为抑制连接， 即抑制线输入来的信号可以取代原线上的信号输送到输入端口里去， 在输出端口的交点称之

18、为禁止连接，即如果禁止信号线上有数据， 则会禁止原信号线上的信号输出。这些概念均取自 Brooks 的包容 体系结构。在 Brooks 的包容体系结构中，模块之间的通讯是异步 的，分层的。在同一功能层内模块的数据是直接发送的；在不同层 之间数据则是通过抑制（Inhibit）和禁止（Suppress）进行传递 的。这种通讯机制最大的优点就是鲁棒性。即上层模块工作时，可 以利用抑制取代原有底层模块的输出；当上层模块失效时，抑制功 能丧失，下层模块的输出重新有效，从而避免因模块失效带来的整 体功能失效，保证了机器人的基本安全。在我们设计的框架中，同 样采用了抑制和禁止这两个通讯功能，不同的是没有分层

19、，而是根 据设计者的意图来确定哪些通讯直接相连，哪些通讯之间要互相抑 制和禁止。通过这三种通讯方式实现模块之间的协作，实现各种自 主智能功能。 其实在一般使用当中，模块之间基本上都是直接线连，出现交叉的 情况很少，这种情况的设计主要是为了有软件鲁棒性考虑的使用设 计的。例如模块 A、B 都连接到模块 C 上，而 B 优先级大于 A，则 BA 连接属于抑制连接，当 B 有信号的时候，会取代 A 的信号输 入到 C 中，当 B 没有信号的时候（例如出现了故障，或者没有输出） ，A 的数据仍然可以输入到 C 中。 2.3 框架的实现 前面分析的主要是思想，这部分讲述的是实现方法。由于本人一直 在用

20、Java 语言做开发，所以这里也选用 Java 语言作为该框架的实 现语言，但原则上讲用 C 语言来实现更好，但 C 语言面向对象特性 不好，而且编程的难度大，更不能跨平台，而我的项目所剩时间无 多，所以最终开始确定用 Java 开发。事实证明 Java 开发的效果也 还不错（在实验过程出现了响应缓慢的症状，其原因在于导航的算 法，而非语言的问题），而且更可以把某些实时性要求比较高的模 块用 JNI 来实现，速度就更有保障了 。 （1）框架的结构 框架由一个平台对象 Platform 和一个系统配置文件构成，这两者 之间的关系，打个比方，配置文件好比一个设计蓝图，描述了整个 框架里应该加载多少

21、模块，每个模块的加载信息，以及模块之间的 通讯线路等；而 Platform 对象就像一个装配车间，按照图纸的要 求，把模块加载进来，然后建立模块之间的通讯线路。其中， Platform 的编程比较容易，因为 Java 虚拟机能够实现类的动态加 载，而且读取 XML 文档的能力也很强。 实现模块的动态加载代码如下（有删改）： /* * loading module from xml configuration * param md - ModuleDoc, the robot configuration file * throws Exception - Something wrong, che

22、ck the message * return the Module Object that has just been generated */ protected Module loadModule(ModuleDoc md) throws Exception String cn = md.getClassName(); /读取 XML 文件中的类名称 if(cn = null | cn.length() = 0) throw new Exception(“Wrong Configuration for Module“); Object m = Class.forName(cn).newI

23、nstance(); /创建模块对 象 if(m instanceof Module) return (Module) m; else throw new Exception(“Failed loading module: “ + cn); 加载模块的启动如下（有删改） /* * booting the platform, * install all the modules and make the system working. * * throws Exception * see c onfig(String) */ public void booting() throws Excepti

24、on Iterator iterator = confdoc.getModuleDocs(); while(iterator.hasNext() /Loading modules. ModuleDoc md = (ModuleDoc) iterator.next(); Module m = loadModule(md); /initialize the modules m.init(md); /put it in the module hash module_hash.put(m.getName(), m); /start the modules iterator = module_hash.

25、values().iterator(); while(iterator.hasNext() Module m = (Module) iterator.next(); m.start(); logit(“Module “ + m.getName() + “ has been started.“); 模块之间的通讯信息则存储在对象 WireConfig 的集合中，该类存 储了从源模块某端口出发的通讯线路，描述了该线路如何和其他模 块的什么端口进行连接，这样在模块发送数据时，可以动态的到该 集合中搜索和自己关联的通讯线路，并根据该线路的描述，寻找到 可以写入的模块和端口。这些工作都是由端口 Port

26、 完成的，模块本 身无需干预。 输出端口发送数据的实现代码： public void setValue(Module module, Object v, long duration) /1 /*judge if output is disabled*/ if(i_flag /output is disabled /* Looking for the target module and port */ Platform platform = Platform.getPlatform(); if(wc = null) wc = platform.getWireConfig(module.getNa

27、me()+“.“+name); if(wc = null) return; List list = wc.getWireTargets(); for(int i=0; i= update_level | (System.currentTimeMillis() - update_timestamp) valid_duration) /do not care about the valide duration value = v; valid_duration = duration; update_timestamp = System.currentTimeMillis(); bReady = t

28、rue; if(listener != null) listener.valueUpdated(); 至此，完成了模块的加载和通讯线路的建立。 （2）灵活的配置文件 本系统的一个有点就在于其灵活的配置文件，通过使用 XML 文档描 述系统框架，可以在不修改任何代码的情况下通过修改 XML 配置文 件就可以实现不同模块的加载以及模块之间通讯方式的改变，从而 可以动态的修改使用的类型，这个在后面的例子中可以看到。首先 介绍配置文件的格式如下： 该图描述了一个非常简单的配置文件，只包括了两个模块 Sick 和 Monitor，一条线路连接了 SIck 模块的 sick 端口到 Monitor 模块

29、的 monitor 端口。这个使用非常简单，就是把激光测距 LMS 测得 的数据图形化的显示在屏幕上而已。可见，配置文件包括了两部分， 一部分描述了模块的信息，另一部分描述了通讯线路的信息。目前 该模块需要手工进行编辑，期望能够在下一个版本中做一个可视化 的图形编辑界面，从而实现移动机器人图形化编程。 （3）模块间通讯 模块间是通过端口进行通讯的，端口只是定义了一些接口，凡是实 现该接口的对象都可以做端口，实际上这也是设计的初衷，期望通 过采用不同的端口实现类来实现不同的通讯能力。例如目前我们实 现的简单端口 SimpleInPort 和 SimpleOutPort 就仅仅能够实现 同一程序内

30、的数据通讯，可以想象也可以设计可以通过以太网络的 通讯端口！然而这部分工作我们还没有做，原因是涉及到网络间的 远程调用，实现起来比较复杂，就暂时先放放了。目前网络通讯是 通过相应模块实现的。 在目前的实现中，通讯是通过传递对象的引用实现的，这也就意味 着无法实行跨系统跨使用，这是这个框架的缺点。优点是这样效率 较高，而且可以通过一些折衷手段实现所谓的跨进程跨平台。通讯 也分两种，同步和异步。本系统也实现了这两种通讯方式。 3、两个例子 3.1 移动机器人的远程控制 如前所述，在我们搭建的移动机器人的运动平台的基础上，通过所 提供的软件模块，仅仅修改其配置用的 XML 文件就可以实现具有不 同功

31、能的智能移动机器人。在本节中，我们使用该移动平台，实现 了一个可以通过 Internet 进行控制的移动机器人远程控制系统。该 系统包括具有局部智能的移动平台，远程操作界面以及客户端和服 务器的通讯机制。所有的硬件系统都是基于我们所研制的移动机器 人平台，所有的软件都是按照上面的控制软件框架和模块结构设计 实现的。通过该节的研究，一方面我们验证了前述软件平台的可靠 性，另一方面我们开发了许多用于 Internet 远程控制、数据采集用 的通讯模块。 （1）远程控制系统的软硬件配置 遥操作移动机器人系统分两个部分，一部分是移动机器人本体，另 一部分是远程控制计算机和控制界面。这两部分通过 Int

32、ernet 网络 进行通讯和协调。机器人本体的硬件配置包括超声模块，激光雷达 模块，无线通讯模块，视觉模块、蓄电池电源模块、电机驱动单元 以及控制用上位机。 移动机器人的远程控制是在实验室局域网络内的另外一台 PC 机上 进行的，该 PC 机通过网线接入到实验室网络内。该 PC 机上运行着 和移动机器人上位 PC 机相同的软件，通过 TCP/IP 协议进行通讯。 移动机器人的软件模块包括超声数据模块，防碰撞模块，避障模块， 激光雷达数据模块，激光雷达障碍物检测模块，图像数据模块，网 络通讯模块、电机驱动模块等，这些模块相互联接组成网络，实现 了局部的自主智能（主要指防碰撞和避障）、向遥操作端发

33、送传感 器数据以及接收遥操作端发送过来的控制命令等功能。该软件的软 件结构如下图所示。 远程控制计算机的软件结构如下图所示： 由于激光雷达能够基本上代替超声波实现障碍物的检测和避障等功 能，因此在试验时我们以激光雷达的数据代替超声波的数据用于避 障和防碰撞以尽量减少系统中加载的模块数量。经过修改后的机器 人和远程控制端的配置文件内容如下 2 图： (2) 通讯模块的设计和控制原理 在远程控制中，通讯模块的设计非常重要，一方面所有的数据都要 通过通讯模块在客户端和服务器之间传递，另一方面在网络控制中 的时延会对控制系统的稳定性造成一定的影响，应该尽量予以消除。 为了提高远程控制系统的使用性，我们

34、在该系统中采用了 TCP/IP 协议，该协议是 Internet 上的通用协议，使用该协议，理论上就可 以通过任何接入 Internet 的计算机来控制移动机器人。为了进一步 提高它的开放性，我们采用了 HTTP 协议，利用超文本来传递数据 和控制命令。使用 HTTP 协议的另一优点是目前几乎所有的网关代 理都支持 HTTP 代理，这样使得该系统的使用范围更广。 a)客户机/ 服务器模式的通讯模块设计 为了简化网络通讯的实现，增加代码的重用性，在本系统中我们采 用了系统架构中模块的思想，构建了网络数据通讯模块。该模块分 客户端和服务器两个模块，遵循客户端/服务器架构，可以根据需要 配合使用。通

35、讯模块的工作流程如上图所示。该模块是一个通用的 网络数据传输模块，使用的时候只需要在其模块的 Data 端口上写 入要发送的对象数据，或者从 Data 端口读入欲获得的对象（下图） 。在使用该模块的时候需要在配置文件中配置好该模块所使用的网 络端口号，或者欲连接的网络 IP 地址和端口号等参数。 b)基于 XML 技术的数据描述和命令封装 在上一部分中，对象能够通过网络通讯模块在不同的主机之间进行 传送，这里的对象主要是从传感器获得的数据对象，或是从客户端 发送的控制命令。这些对象或者命令都必须要转化成网络能够传递 的文本或者字节流才能够通过网络进行传递。由于我们所使用的是 HTTP（超文本传

36、输协议），这种协议最适合文本数据的传输；此外， XML 具有良好的数据表达能力和数据标准化，以及其开放型等优点， 因此在数据传输的时候我们使用 XML 技术来实现对对象的文本序列 化。 序列化是面向对象编程的一种技术，指的是对象能够在需要永久保 存或者传输的时候转化成相应的数据，之后可以从该数据中恢复出 该对象。对于一个对象而言，其方法是所有对象都拥有的，因此只 有其属性代表的数据才能够确定对象的唯一性，所谓的序列化实质 上就是研究对象的属性数据的保存和读取的一种方法。XML 具有很 强的数据表达能力，能够轻而易举的描述任何对象的数据，因而可 以用来做为对象的序列化媒介。 利用 XML 实现对

37、象序列化的方法很简单，我们只需要在所需要进行 序列化的对象里添加一个方法 toXMLDoc()，并在该方法中根据对 象该时刻数据生成一个 XML 文档即可。关于如何实现 XML 文档的 生成可以参考有关 XML 编程的书籍。从 XML 文档中恢复对象包括 两个步骤：首先根据 XML 文档的描述创建所需要的对象，然后利用 该对象的 fromXMLDoc()方法恢复数据。 例如 LMS200 激光雷达系统扫描得到的数据对象经过序列化后可以 得到的 XML 文本为： 35-34-35-56-78-98-120-380 该文本描述了激光雷达一次扫描后获得的全部前方 0180 度范围 内测量的距离信息。

38、该信息在程序内被封装到了一个对象中 （RangeData），该对象序列化后得到该 XML 文本。同样，通过 生成一个空的 RangeData 对象，然后利用该 XML 文本即可重新恢 复出该对象。 c) 局部自主智能的实现 由于我们在移动机器人上安装了激光雷达系统和超声传感器阵列， 并对相应的避障和导航算法等单元技术进行了研究，因此该移动机 器人已经具备了一定的智能（例如能够判断障碍物的距离实现急停， 局部避障等功能）。但是由于人工智能的发展现状以及机器人所处 环境的复杂性，完全依赖机器的智能在现实环境中自主行走就目前 而言还没有可靠的技术保证。因此在实际使用中还不能避免人工的 干预，这就要求

39、我们从人机结合的角度来看待这个问题，尽量能够 开发出人机协同控制移动机器人的环境。 在我们开发的软件框架内，所有模块的输出最终都通过影响电机的 驱动模块来体现出来（例如防碰撞，局部避障等），而人（远程操 作者）对机器人的控制同样也是通过影响电机的驱动模块而实现的， 这和所有模块的工作原理是一样的。因此，通过对每个行为模块指 定不同的优先级别，就可以在一定程度上实现对移动机器人行为的 人机协同控制。在本项目中，我们把远程命令的处理模块赋予较高 的等级（高于避障模块，但是低于防碰撞模块，这样可以解决操作 过程中的误操作导致的碰撞过程），当有远程控制命令过来的时候， 机器人由远程控制人员进行操纵；当

40、远程命令失效（例如 1 秒内没 有新的命令进入）后，本地避障、漫游等模块的控制命令就可以对 机器人进行控制，在控制的同时，用户仍然可以通过远程计算机进 行对机器人的运行状态进行监视并随时切入控制。下图显示的就是 机器人在遥操作过程中客户端显示的激光雷达数据（可视化）和机 器人运行状态数据以及控制命令输入窗口。 3.2 基于激光雷达的移动机器人避障漫游 （1）避障算法 避障算法不是这里研究的重点，所以简单提一些。激光测距雷达相 对于超声波具有很多优越之处，它的测量精度高，稳定性好，方向 性强，受到的干扰小等等，因此利用激光雷达进行避障要比超声波 可靠的多。在本项目中我们使用了较常用的虚拟力算法（

41、VFF）， 利用雷达获得的数据实现机器人的自主避障和漫游。 VFF 方法是在势场法(Potential field method，PFM) 的基础上建 立起来的。该方法认为，障碍物会对机器人施加一定虚拟的排斥力 (Virtual repulsive force)，目标对机器人也会产生一定的吸引力， 这两个力的合力决定机器人的速度和方向。漫游机器人的软件配置 如下图所示。其中比较重要的几个模块包括防碰撞模块（collide）， 虚拟力计算模块（force ），避障模块（Runaway）等。防碰撞模 块有一个参数 threashold，用来定义危险距离，当障碍物和机器人 的距离低于此值则会产生急停

42、的命令；虚拟力计算模块有两个参数 threashold_near 和 threashold_far，分别用来定义两个边界值。 虚拟力的计算函数是一个分段函数，当距离大于 threashold_far 的时候该值被忽略，即计算得到的力值为 0，当距离小于 threashold_near 的时候，计算得到的力被平方，即增大近距离障 碍物在力场中的分量。Runaway 模块则根据计算出来的虚拟力的 大小，并参考目标点的位置来生成下一步运动的方向和速度等命令。 (2) 漫游实验 我们在办公室环境下进行了自主漫游的实验。实验结果标明，移动 机器人能够顺利的在无障碍的情况下沿着走廊行走，自动修正行走 的方向；当走廊中存在较小障碍物时能够顺利的绕过障碍物继续前 进；当走廊中障碍物较多时，就会停在障碍物附近或绕障碍物运动 并且寻求操作者帮助。 点击这里可以下载当时拍摄的一段录像。 4、总结 总结没什么好说的了，虽然写完了，但是感觉还有好多问题没有说 清楚，源代码我会整理一下传上来 ，有什么问题也尽管问，这样 也可以帮我做一些改进工作。 5、版权问题 版权所有，严禁转载 原文链接： 006/29.shtml