CN110087220A - 一种多机器人通信及远程控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多机器人通信及远程控制系统，包括远程控制机，智能中心，多机器人组，智能机器人，控制机，传感器，智能模块，外部环境传感器。优选混合式通信控制方式，使远程控制机与智能中心通过主机器人对从机器人进行通信控制，从机器人之间也进行相互间的状态通信，机器人之间只作状态信息的实时通信，各自进行自主协调、优化与决策，具有一定自制权，灵活性较强。采用P2P模式实现机‑机(Machine‑To‑Machine)之间的通信交互，“广播”的方式分享信息，使系统有较高的实时性。融合M2M的多机器人智能协作系统将人、机器人、传感器及其它智能体集成到一个物联网系统中，通过信息的交互及系统的自主决策，实现多机器人的智能协作。

Description

一种多机器人通信及远程控制系统
技术领域
本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种多机器人通信及远程控制系统。
背景技术
多机器人体系结构表达的是系统中各成员之间的信息交互方式和组织方式，提供了机器人交互与协调的框架。在工业上，一个多机器人智能系统通常包含用于作业的工业机器人，物料配送的移动机器人，各种机器人内部传感器和感知周边环境的外部传感器。考虑到当前机器人系统智能化程度的局限性，还不足以处理一些复杂、特殊和应急的状况，因此，在系统中要适时加入人的决策，通过人、机之间的有效配合，实现系统安全、可靠的作业。在多机器人系统中，通信是多机器人协作系统的重要组成部分，是各机器人间进交互、协作的基础，合理的通信方式可以在很大程度上提高系统运行效率。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种多机器人通信及远程控制系统，采用的技术方案为：包括远程控制机，智能中心，多机器人组，智能机器人，控制机，传感器，智能模块，外部环境传感器；其中所述远程控制机与智能中心连接；多机器人组包括多个智能机器人，每个智能机器人与控制机，传感器，智能模块连接；外部环境传感器与智能中心连接；所述远程控制机通过智能中心用于用户远程监测现场多机器人组中智能机器人的运行状态，以及对智能机器人实施必要的决策或紧急处理；所述智能中心由服务器担当，是多机器人系统的“大脑”，也是系统信息传输的枢纽，其主要功能有信息采集、处理及传输，和实施一系列的智能决策算法，如作业任务分配和协调规划算法等；智能机器人通过无线方式实现信息传输，一般由具有无线功能的笔记本或小型计算机等实现控制，所述智能模块包含自主协调规划算法、无碰运动规划算法，可以控制机接收智能中心的任务命令并结合传感器采集机器人的状态以及外部环境传感器采集的环境信息，自主规划、协调和配合完成自己的作业任务。
进一步的，所述多机器人组的通信控制方式包括集中式、分布式或混合式。
进一步的，所述集中式包括一个主机器人和多个从机器人，远程控制机与智能中心通过主机器人对从机器人集中控制。
进一步的，所述分布式包括多个智能机器人，智能机器人之间无隶属关系，直接相互通信；远程控制机与智能中心均可对智能机器人进行控制。
优选的，所述混合式包括一个主机器人和多个从机器人，远程控制机与智能中心通过主机器人对从机器人进行通信控制，从机器人之间也进行相互间的状态通信。
一种多机器人远程控制系统，包括客户端，服务器，智能机器人，解释器，控制机；其中客户端向服务器发送简单的控制命令，服务器采集智能机器人的信息向客户端反馈状态信息，当客户端通过服务器向智能机器人发送控制信息时，以TCP协议实现信息传输，利用自定义的应用层协议实现信息“翻译”，把传输的字节信息转换为双方“认识”的价值信息，机器人的控制命令使用基于反射机制的解释器将信息转化为可运行的机器人驱动程序，控制机器人运动。
进一步的，所述解释器采用.NET框架为用户提供了“反射”机制，在程序运行时可以动态获取或加载函数库中的程序集，同时可以查看到程序集的信息，获取到程序集的命名空间、类以及存储路径；控制机收到控制命令后，首先将控制命令解析为函数名和参数信息，利用反射机制在程序集中查找函数名对应的程序集中的方法及方法的参数类型，然后把解析的参数转化为查找到的方法的参数对应的类型，并作为实参调用该方法，即可实现程序运行，进而实现对智能机器人的控制。
一种多机器人间信息通信方法，多机器人之间通过P2P模式实现机-机之间的通信交互，采用基于UDP协议和Socket数据报套接字的信息传输方式，令所有的机器人控制机位于同一个NAT下，计算机之间不需要“打洞”便可实现UDP连接，所有的机器人控制机都加入一个共同的“组播”上，即可实现信息共享；任何发送到组播地址的信息都会被发送到组内所有的机器人控制机上，从而实现多机器人间的信息通信。
本发明采用融合M2M的多机器人智能协作系统将人、机器人、传感器及其它智能体集成到一个物联网系统中，通过信息的交互及系统的自主决策，实现多机器人的智能协作。
附图说明
图1为本发明的整体通信控制组织结构图；
图2为本发明的集中式通信控制组织结构图；
图3为本发明的分布式通信控制组织结构图；
图4为本发明的混合式通信控制组织结构图；
图5为本发明的多机器人交互通讯结构图；
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1至图5所示，本实施例的一种多机器人通信及远程控制系统，包括远程控制机1，智能中心2，多机器人组3，智能机器人4，控制机5，传感器6，智能模块7，外部环境传感器8；其中所述远程控制机1与智能中心2连接；多机器人组3包括多个智能机器人4，每个智能机器人4与控制机5，传感器6，智能模块7连接；外部环境传感器8与智能中心2连接；所述远程控制机1通过智能中心2用于用户远程监测现场多机器人组3中智能机器人4的运行状态，以及对智能机器人4实施必要的决策或紧急处理；所述智能中心2由服务器担当，是多机器人系统的“大脑”，也是系统信息传输的枢纽，其主要功能有信息采集、处理及传输，和实施一系列的智能决策算法，如作业任务分配和协调规划算法等；智能机器人4通过无线方式实现信息传输，一般由具有无线功能的笔记本或小型计算机等实现控制，所述智能模块7包含自主协调规划算法、无碰运动规划算法，可以控制机5接收智能中心的任务命令并结合传感器6采集机器人的状态以及外部环境传感器8采集的环境信息，自主规划、协调和配合完成自己的作业任务。
进一步的，所述多机器人组3的通信控制方式包括集中式、分布式或混合式。
进一步的，所述集中式包括一个主机器人9和多个从机器人10，远程控制机1与智能中心2通过主机器人9对从机器人10集中控制。
进一步的，所述分布式包括多个智能机器人4，智能机器人4之间无隶属关系，直接相互通信；远程控制机1与智能中心2均可对智能机器人4进行控制。
优选的，所述混合式包括一个主机器人9和多个从机器人10，远程控制机1与智能中心2通过主机器人9对从机器人10进行通信控制，从机器人10之间也进行相互间的状态通信。
一种多机器人远程控制系统，包括客户端11，服务器12，智能机器人4，解释器13，控制机5；其中客户端11向服务器12发送简单的控制命令，服务器12采集智能机器人4的信息向客户端11反馈状态信息，当客户端11通过服务器12向智能机器人4发送控制信息时，以TCP协议实现信息传输，利用自定义的应用层协议实现信息“翻译”，把传输的字节信息转换为双方“认识”的价值信息，机器人的控制命令使用基于反射机制的解释器将信息转化为可运行的机器人驱动程序，控制机器人运动。
进一步的，所述解释器13采用.NET框架为用户提供了“反射”机制，在程序运行时可以动态获取或加载函数库中的程序集，同时可以查看到程序集的信息，获取到程序集的命名空间、类以及存储路径；控制机5收到控制命令后，首先将控制命令解析为函数名和参数信息，利用反射机制在程序集中查找函数名对应的程序集中的方法及方法的参数类型，然后把解析的参数转化为查找到的方法的参数对应的类型，并作为实参调用该方法，即可实现程序运行，进而实现对智能机器人4的控制。
一种多机器人间信息通信方法，多机器人之间通过P2P模式实现机-机之间的通信交互，采用基于UDP协议和Socket数据报套接字的信息传输方式，令所有的机器人控制机5位于同一个NAT下，计算机之间不需要“打洞”便可实现UDP连接，所有的机器人控制机都加入一个共同的“组播”上，即可实现信息共享；任何发送到组播地址的信息都会被发送到组内所有的机器人控制机5上，从而实现多机器人间的信息通信。
本发明优选混合式作为多机器人的通信控制方式，由于受到机器人本身能力、任务的复杂程度以及工作环境等诸多因素影响，同一种组织结构在不同的系统中也会表现出不同的特性。在设计组织结构时，综合评估诸多因素对系统体系结构的影响，尽量发挥上述组织结构优点的同时，应断发现相互融合各种组织结构的方法。混合式通信控制方式具有以下功能：1)人是任务的下发者，除了对机器人作业现场实施远程监控，必要时根据机器人作业状况进行决策和控制，也可以对一些意外进行应急处理，如紧急停止等，拥有最高的操作权；2)智能中心是控制决策中心，对各机器人进行组织协调和控制，对下层具有一定控制权；3)智能机器人之间可以通信，实时交互彼此信息，并获取周边环境信息，协作协调；智能机器人可以自我运动规划、实时纠正，具有局部自治权。
图1所示的组织结构形式，人通过智能中心发布决策或控制指令，再由智能中心向下级智能机器人传达，其结构相对简单，较容易实现，但人对机器人没有直接控制权限，灵活性稍差。图2中人和智能中心对机器人进行直接控制，机器人灵活性适中，结构稍复杂，通信量稍大。上述两种模式中，各机器人彼此是独立的，只能进行信息交互，没有控制关系。图3所示的组织结构，在一个机器人群组中，机器人又分为主从关系，主机器人根据上层下达的任务，再对下级从机器人进行任务分配和组织协调。这种组织方式通常包含多个群组，一个群组内部还可以再分为多个子群组。这种模式多数用于机器人集群作业中，如大规模移动机器人协同作业。根据人、智能中心和智能机器人之间彼此不同的控制结构形式，可以进行多种形式的组合。图4所示的组织方式，即人具有最高的优先级，可通过智能中心对机器人进行控制，也可直接对机器人进行控制。人的参与程度取决于系统的智能化程度，系统自我协调能力、应急处理和智能化水平越高，人参与的决策就越少。智能中心对机器人人有控制权，级别仅次于人。机器人之间只作状态信息的实时通信，各自进行自主协调、优化与决策，具有一定自制权，灵活性较强。
如图5所示，多机器人系统通过远程控制方式实现人-机(Man-To-Machine)交互通信，远程控制系统采用面向对象的C/S(服务器/客户机)模式实现，以实时视觉反馈的方式运行，客户端向服务器发送简单的控制命令，服务器向客户端反馈机器人的状态信息，保证系统的准确性和安全性。基于C/S模式的远程控制系统利用Socket技术以TCP协议实现信息传输，利用自定义的应用层协议实现信息“翻译”，把传输的字节信息转换为双方“认识”的价值信息，机器人的控制命令使用基于反射机制的解释器将信息转化为可运行的机器人驱动程序，控制机器人运动。
客户端软件系统以Windows系统为开发环境，以Microsoft Visual Studio2010作为软件开发平台，采用简洁高效的、面向对象的、运行在.Net框架之上的高级程序语言C#作为软件开发语言进行开发，主要功能如下：1)实时监测，视频可以实时反馈机器人的作业现场；通过机器人轨迹图像可以观察机器人在工作平面的运行轨迹，用于判断机器人的运动是否满足作业要求；机器人状态指示器用于显示机器人的伺服、运动、限位等状态信息，可以直观判断机器人的当前状态；位置速度显示区直观显示机器人的当前位置及运行速度；2)运动控制，客户端的控制方式有面板控制和程序控制两种，面板控制中设有初始化、伺服使能、任务启动等按钮，可以方面快捷的控制多个机器人，操作者也可通过设置参数、选择运动模式控制单个机器人；3)历史记录，历史记录区会记录操作者所有的远程操作命令。
机器人之间通过P2P模式实现机-机(Machine-To-Machine)之间的通信交互，“广播”的方式分享信息，使系统有较高的实时性。通信系统利用Socket技术中的数据报套接字以UDP协议实现信息传输，以自定义状态类信息应用层协议实现信息“翻译”，转化为各自“认识”的价值信息。由于所有的机器人控制机位于同一个NAT(网络地址转换协议)下，计算机之间不需要“打洞”便可实现UDP连接，所有的机器人控制机都加入一个共同的“组播”上，即可实现信息共享。组播是指分享一个组播地址(范围在224.0.0.0到239.255.255.255的D类IP地址)的一组设备。任何发送到组播地址的信息都会被发送到组内所有的机器人控制机上。
与流套接字不同的是，基于UDP协议数据报套接字不用建立Socket连接，而是每个需要通信的节点实例化一个Udp Client()，然后加入一个共同的组播，节点向组播内发送信息，在组播内所有节点便可接受组播内的任何信息，这样便实现了组播内的信息共享，即实现了机器人间的通信。
以上实施例描述了本发明的主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (8)

1.一种多机器人通信及远程控制系统，其特征在于：包括远程控制机(1)，智能中心(2)，多机器人组(3)，智能机器人(4)，控制机(5)，传感器(6)，智能模块(7)，外部环境传感器(8)；其中所述远程控制机(1)与智能中心(2)连接；多机器人组(3)包括多个智能机器人(4)，每个智能机器人(4)与控制机(5)，传感器(6)，智能模块(7)连接；外部环境传感器(8)与智能中心(2)连接；所述远程控制机(1)通过智能中心(2)用于用户远程监测现场多机器人组(3)中智能机器人(4)的运行状态，以及对智能机器人(4)实施必要的决策或紧急处理；所述智能中心(2)由服务器担当，是多机器人系统的“大脑”，也是系统信息传输的枢纽，其主要功能有信息采集、处理及传输，和实施一系列的智能决策算法，如作业任务分配和协调规划算法等；智能机器人(4)通过无线方式实现信息传输，一般由具有无线功能的笔记本或小型计算机等实现控制，所述智能模块(7)包含自主协调规划算法、无碰运动规划算法，可以控制机(5)接收智能中心的任务命令并结合传感器(6)采集机器人的状态以及外部环境传感器(8)采集的环境信息，自主规划、协调和配合完成自己的作业任务。
2.根据权利要求1所述的一种多机器人通信及远程控制系统，其特征在于：所述多机器人组(3)的通信控制方式包括集中式、分布式或混合式。
3.根据权利要求2所述的一种多机器人通信及远程控制系统，其特征在于：所述集中式包括一个主机器人(9)和多个从机器人(10)，远程控制机(1)与智能中心(2)通过主机器人(9)对从机器人(10)集中控制。
4.根据权利要求2所述的一种多机器人通信及远程控制系统，其特征在于：所述分布式包括多个智能机器人(4)，智能机器人(4)之间无隶属关系，直接相互通信；远程控制机(1)与智能中心(2)均可对智能机器人(4)进行控制。
5.根据权利要求2所述的一种多机器人通信及远程控制系统，其特征在于：所述混合式包括一个主机器人(9)和多个从机器人(10)，远程控制机(1)与智能中心(2)通过主机器人(9)对从机器人(10)进行通信控制，从机器人(10)之间也进行相互间的状态通信。
6.一种多机器人远程控制系统，其特征在于：包括客户端(11)，服务器(12)，智能机器人(4)，解释器(13)，控制机(5)；其中客户端(11)向服务器(12)发送简单的控制命令，服务器(12)采集智能机器人(4)的信息向客户端(11)反馈状态信息，当客户端(11)通过服务器(12)向智能机器人(4)发送控制信息时，以TCP协议实现信息传输，利用自定义的应用层协议实现信息“翻译”，把传输的字节信息转换为双方“认识”的价值信息，机器人的控制命令使用基于反射机制的解释器将信息转化为可运行的机器人驱动程序，控制机器人运动。
7.根据权利要求6所述的一种多机器人远程控制系统，其特征在于：所述解释器(13)采用.NET框架为用户提供了“反射”机制，在程序运行时可以动态获取或加载函数库中的程序集，同时可以查看到程序集的信息，获取到程序集的命名空间、类以及存储路径；控制机(5)收到控制命令后，首先将控制命令解析为函数名和参数信息，利用反射机制在程序集中查找函数名对应的程序集中的方法及方法的参数类型，然后把解析的参数转化为查找到的方法的参数对应的类型，并作为实参调用该方法，即可实现程序运行，进而实现对智能机器人(4)的控制。
8.一种多机器人间信息通信方法，其特征在于：多机器人之间通过P2P模式实现机-机之间的通信交互，采用基于UDP协议和Socket数据报套接字的信息传输方式，令所有的机器人控制机(5)位于同一个NAT下，计算机之间不需要“打洞”便可实现UDP连接，所有的机器人控制机都加入一个共同的“组播”上，即可实现信息共享；任何发送到组播地址的信息都会被发送到组内所有的机器人控制机(5)上，从而实现多机器人间的信息通信。
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