CN106863299B - 一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，包括与用户进行交互的用户视图层、与攀爬机器人硬件进行交互的硬件相关层、进行路径规划和步态管理的路径步态层、完成数据配置组织存储与分析的数据中心层以及调度各层运行的主控层；所述主控层分别与用户视图层、路径步态层以及硬件相关层以及数据中心层相互通信，数据中心层分别与其他各层互联。本发明应用于足式攀爬机器人，功能较为完备，可针对不同机器人自由配置，通用性强。

Description

一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别是一种应用于足式攀爬机器人的移动控制系统。

背景技术

近年来，智能机器人发展异常迅猛，典型的包括攀爬机器人、轮式机器人和旋翼式无人机，其中轮式机器人和旋翼式无人机的控制系统发展也日趋成熟，目前已经广泛地应用于工农业生产过程和居民生活；而相对地，攀爬机器人目前则还处在发展阶段。攀爬机器人从吸附原理主要分为生物粘附式、手爪式、电磁吸附式，从移动机构主要分为足式、轮式；其中足式攀爬机器人主要用于检测空间桁架结构，比如电力杆塔、铁桥、脚手架、信号塔等，其攀爬环境主要是杆件组成的三维空间桁架。攀爬机器人随着自由度的增加，并发度成倍增长，控制逻辑的复杂度也成指数级增长，这就使得控制系统潜在的相互协调、相互制约机制较多，控制耦合度较高。

一般足式攀爬机器人需要开发专用控制系统，这些专用控制系统仅能对相应的机器人进行控制，通用性不强，功能单一。现有足式攀爬机器人移动控制系统大多具体存在以下缺点：1）移动控制系统多为特定的硬件结构设计，难以根据硬件的变化自动配置；2）移动过程中往往接受用户的微观移动指令，缺少从宏观的路径规划到微观的关节机械动作控制的集成；3）控制系统不够完善，缺少安全管理、历史数据的存储和分析等功能；4）移动控制系统的数据耦合和控制耦合度较高，模块化程度低，复用度低，难以根据实际情况进行裁剪配置，系统生命周期短。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种应用于足式攀爬机器人的、可配置式移动控制系统，提高控制系统的通用性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，包括与用户进行交互的用户视图层、与攀爬机器人硬件进行交互的硬件相关层、进行路径规划和步态管理的路径步态层、完成数据配置组织存储与分析的数据中心层以及调度各层运行的主控层；所述主控层分别与用户视图层、路径步态层以及硬件相关层以及数据中心层相互通信，数据中心层分别与其他各层互联。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述用户视图层包括数据显示模块和操控模块；数据显示模块用于以列表、图形、仿真攀爬机器人、视频形式展示攀爬机器人攀爬过程中的环境状态和攀爬机器人本体状态；操控模块按照用户选定的方式控制攀爬机器人动作。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述用户选定控制方式为预置指令列表、手势、XBox360摇杆或者Kinect方式。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述主控层包括系统调度监控模块和移动安全模块，系统调度模块负责系统运行调度、SLAM、警报、日志、运行时间监控和数据访问频度监控，移动安全模块负责用户身份鉴别、权限管理和审计。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述数据中心层包括元数据管理模块、数据管理模块和数据分析模块，元数据管理模块负责统一管理控制系统可变、可配置数据的取值，数据管理模块主要负责存储、检索攀爬机器人在移动过程中的数据，数据分析模块采用数据仓库和数据挖掘技术找出攀爬机器人的运动特征、指导攀爬机器人的操控和攀爬运行。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述数据管理模块包括实时数据管理子模块和历史数据管理子模块，实时数据管理子模块管理攀爬机器人移动过程中的实时数据，历史数据管理子模块负责在攀爬机器人攀爬移动结束后把移动过程中的数据存储到数据库或者LDAP服务器中。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述路径步态层包括避障模块、路径规划模块、关节步态管理模块；其中，避障模块指导攀爬机器人发现和避开障碍，较大的障碍在选择行进路线时绕开，较小的障碍通过调整关节机械动作序列避开；路径规划模块按照逐步求精的原则分为三级规划，从宏观到微观依次是全局路径规划、具体的落脚点规划和单步路径规划，输出串行指令序列；关节步态管理模块用于根据约束条件转换为关节动作指令并协调各关节完成攀爬动作。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述路径规划模块包括全局路径规划子模块、落脚点规划子模块和单步规划子模块；其中，全局路径规划子模块从全局角度对攀爬环境进行分析，并从中粗略地筛选出一些关键路线构成具有全局指向性的路径地图；落脚点规划子模块根据攀爬机器人各种步态的动作范围，以某种评价指标为依据将路径地图进行分割和离散，从而编排成环环相扣的落脚点序列；单步规划子模块规划攀爬机构在落脚点之间的攀爬运动。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述关节步态管理模块包括关节动作序列转换器、关节触发器、关节动作过程子模块、关节事务系统子模块以及关节防护子模块；其中，关节动作序列转换器将路径规划模块输出的串行指令序列根据攀爬动作范围、外部约束等转换为初步的并行关节指令序列；关节触发器负责攀爬机器人多足之间的一个自动协调机制；关节动作过程子模块负责管理关节机械动作的各个序列，完成一个个指令动作；关节事务管理子模块用于保证足式攀爬机器人移动过程中关节机械动作序列的事务特征；关节防护子模块约束关节机械动作。

上述一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，所述硬件相关层包括信息采集接口、传感器信息融合模块和执行器接口，其中，信息采集接口通过传感器获取机器人本体自身信息和环境信息，传感器信息融合模块主要融合传感器测量的数据，执行器接口驱动机器人执行器硬件机构完成预定动作。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明应用于足式攀爬机器人，不仅可针对不同机器人自由配置，通用性强；并且其功能较为完备，主要体现在以下几个方面。

1）本发明以数据流和控制流为中心，功能完备。不仅具有一般的感知、控制、定位、路径规划与避障等功能，还通过移动安全模块、关节步态管理器模块、数据分析模块等提供更加精细、完整的功能，从而保障机器人安全、高效地运行。

2）本发明通过多层体系结构解耦合，业务逻辑清晰。

用户视图层、数据中心层、主控层、路径步态层、硬件相关层只与相邻的上下层相关，与其它层是分离的，相对独立。具体地说，用户视图层与路径步态层、硬件相关层分离，当用户视图层（数据显示模块或者操控模块）需要更改时，不需要修改路径步态层和硬件相关层。类似地，路径步态层与用户视图层分离，当路径步态层需要修改时，不需要修改用户视图层；硬件相关层与数据中心层、用户视图层分离，当与硬件相关的感知、控制等需要更改时，不需要修改数据中心层和用户视图层。数据中心层的永久数据可以根据数据规模和访问次数存储在RDBMS或者LDAP服务器中。只要正确实现了模型和接口访问机制，用户视图层的数据显示模块就会正确显示机器人的信息和环境信息，操控模块就会正确控制机器人。

由于采用五层分离体系，改变其中一层不会影响其他层，所以根据这种设计思想能构建良好的松耦合、业务逻辑清晰的足式攀爬机器人移动控制系统。

3）本发明可复用度高、维护成本低、全生命周期成本低。

随着显示方式的多样化需求，控制系统允许使用不同样式的视图显示数据中心层的相同数据，所有视图能共享机器人数据。比如，用户可以用数据列表的形式显示机器人的相关数据、用视频实时播放机器人采集到的数据、根据采集到的数据以图像形式显示机器人的运动态势和相关参数。这时，只需要修改用户视图层的数据显示模块，建立新的“视图/数据”的映射就可满足相应需求，其它模块得到了复用。

随着控制方式的多样化和简单化，系统允许用户采用不同的控制方式，比如采用预置指令列表、手势、XBox360摇杆、Kinect等方式控制机器人，所有的控制方式都能操控同样的数据和机器人。不同的控制方式只需建立对应的“操控/数据”映射即可，其它模块得到了复用。

随着硬件元器件的进步和变革，控制系统允许更换、添加传感器部件。控制系统只需修改或者增加硬件相关层的数据采集接口和执行器接口，建立正确的“硬件相关层/硬件”映射就可满足变化要求，其它模块得到了复用。

本发明虽然在开发过程中因接口的设计、开发、测试导致成本较高；但后期如有硬件、控制策略、路径规划策略发生变化，只需针对相应模块进行局部精准修改即可。这种修改规模小，测试容易，维护流程简明，成本低，全生命周期的成本更低。

4）本发明可以并行开发、开发时间短、部署快。

控制系统采用五层体系结构可让各类业务人员集中精力完成、优化所负责的部分，操控人员重点关注用户视图层、数据管理分析人员重点关注数据中心层、路径规划人员重点关注路径步态层、硬件辅助工程师重点关注硬件相关层。在接口稳定的前提下，所述系统开发人员可以并行开发系统，开发时间得到相当大程度缩减，部署快。

5）本发明的数据格式可配置、数据分层存储。

控制系统需要收集、整理大量的传感信息数据、路径步态数据和操控数据，并根据这些数据进行计算、决策。随着硬件、规划方法、控制策略的变化，数据的格式往往略有调整。一般地，控制系统往往因为数据格式的轻微变化，需要修改系统中数据出现的所有地方，数据成为魔幻数字，通常是网状结构修改，逻辑复杂，修改难度大。而本发明通过元数据可配置数据格式和内容，统一管理控制系统中的数据，当数据需求有轻微变化时，只需要修改元数据，其它模块自动更新相关数据；这种修改方式逻辑清晰，维护简单。

所述控制系统运行时暂时只保存实时数据到内存或者文件，有效保证了系统运行速度；机器人自主移动一段时间后，再把运行得到的数据统一自动转储到数据库中，进行数据分析。这种数据分级存储方式对找出足式机器人攀爬中的故障、挖掘机器人攀爬的规律具有较大的价值。

6）本发明的路径规划分层进行，逐步调整完善、细化求精。这种规划方式有利于及时发现路径规划中的问题，尽早舍弃不可达路线，提高规划效率；有利于得到可操作性强、精细、准确的路线，提高规划效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明的元数据结构图；

图3为本发明所述全局路径规划子模块的设计图；

图4为本发明所述攀爬点规划子模块的设计图；

图5为本发明轻量级的结构框图；

图6为本发明的数据流图。

具体实施方式

足式攀爬机器人移动控制系统需要完成机器人的感知、定位、路径规划、步态规划、避障、控制等，涉及传感器信息数据、地图数据、路径和步态数据、控制数据等，数据量大、数据流动较快，通常以毫秒计；多种数据需要融合、传输、计算，数据的处理频度高、数据耦合度高；数据复杂度高，控制耦合度高。攀爬机器人的控制系统都是以数据为中心，需要收集、整理大量的传感信息数据、路径步态数据和操控数据，并根据这些数据计算、决策；然而随着硬件、规划方法、控制策略的变化，数据的内容和格式往往略有调整，这种调整通常要求修改系统中这些数据出现的所有地方，逻辑复杂，修改难度大。本发明固化不变的部分，把变化的部分提取出元数据，并以配置文件的形式进行统一管理；当数据有轻微变化时，只需要修改元数据，其它模块自动更新相关数据，这种修改方式逻辑清晰，维护成本低。

下面将结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，采用五层分离体系来降低控制系统的数据复杂度和控制耦合，围绕数据和控制，其结构框图如图1所示，包括用户视图层、主控层、数据中心层、路径步态层、硬件相关层，主控层分别与用户视图层、路径步态层以及硬件相关层以及数据中心层相互通信，数据中心层分别与其他各层互联。

用户视图层主要负责与用户交互，包括攀爬机器人数据显示模块和操控模块。数据显示模块可以以列表、图形、仿真机器人、视频等形式展示机器人攀爬过程中的环境状态和机器人本体状态；每种显示形式对应一个“视图/数据”映射，所有显示形式共享相同的基础数据；当需要增加、调整显示形式时，只需要修改对应的“视图/数据”映射。操控模块允许用户以预置指令列表、手势、XBox360摇杆、Kinect等方式控制机器人，每种控制方式对应一个“操控/数据”映射，所有控制形式最后都转换为控制指令；当需要增加、调整操控形式时，只需要修改对应的“操控/数据”映射。

主控层是足式攀爬机器人移动控制系统的神经中枢，负责控制系统的安全管理和各个模块的调度、监控，包括系统调度监控模块和移动安全模块。

系统调度模块主要包括系统运行调度、SLAM（即时定位和地图构建）、警报、日志、运行时间监控、数据访问频度监控等子模块。系统运行调度子模块负责各个模块的启动、停止和逻辑交互，模块之间数据的交互等。警报子模块负责系统警报的类型和报警形式管理。日志子模块负责日志的设置、存储和显示。SLAM子模块负责对攀爬机器人和攀爬环境的定位和地图构建，遵循“远粗近细、逐步细化、逐步提高”的原则进行数据的采集和处理。运行时间监控子模块是一个可以开关的模块，主要监控核心步骤、算法和模块的运行时间，以支撑攀爬机器人移动控制系统的快速计算和及时响应。数据访问频度监控子模块也是一个可以开关的模块，主要监控核心数据的访问频率，为决策数据的存储位置提供信息支撑。一般地，高访问频率的实时数据存储在内存中，低访问频率的实时数据存储在文件中；高访问频率的历史数据存储在数据库和内存中，低访问频率的历史数据存储在数据库中。

移动安全模块主要包括用户身份鉴别、权限管理、日志和审计四个子模块。用户身份鉴别子模块主要负责对登录、使用攀爬机器人移动控制系统的用户进行身份核查，主要形式是用户标识和口令。权限管理子模块主要负责对攀爬机器人的用户数据访问权、修改权、机器人操控权进行审核校验。日志子模块是可以开启关闭的功能模块，主要负责记录足式攀爬机器人在移动过程中的核心数据，比如操控数据、路径步态层输出的串行指令序列和关节机械动作序列、采集的核心感知信息等。审计子模块是可以开启关闭的功能模块，当足式攀爬机器人移动控制出现故障中，可以通过审计功能发现故障产生的原因；也可以校验核心关节、关节步骤的正确性。

数据中心层主要处理控制系统数据的组织、存储和分析。足式攀爬机器人移动过程中需要快速处理大量的数据，包括传感器感知的环境信息、定位系统获取的三维空间信息等上行数据和路径步态层规划的中间临时数据和最终结果数据、用户视图层的操控信息等下行数据。数据处理过程包括数据的实时汇总与临时存储、阶段性历史数据永久存储、数据分析。本发明中，数据中心层主要包括元数据管理模块、数据管理模块和数据分析模块。

元数据管理模块负责统一管理系统可变、可配置数据的取值。一般地，机器人控制系统往往因为硬件结构、采集的数据格式轻微变化，需要修改系统中这些数据出现的所有地方，由于模块之间数据相互耦合，通常需要网状结构式修改，逻辑复杂，难度大。在控制系统搭建时，从可变的硬件结构（机器人攀爬足的个数、关节数，传感器的个数和类型）、系统信息（警告、日志）提取出元数据，元数据的赋值集中在数据中心层的元数据管理模块中，其他模块都从元数据模块读取数值。当有数据发生轻微变化时，只需要修改元数据的值，其他模块取值自动更新，这种修改逻辑清晰、管理简单、难度低。

元数据在存储时采用xml文件，本发明中，元数据的结构如图2所示，具体包括三个方面：攀爬机器人、传感器以及控制系统，攀爬机器人中主要包括攀爬足面数据和攀爬足关节数据；传感器中主要包括传感器个数、类型和采样参数数据，采样参数中包含频率、单位以及数据类型；控制系统中主要包括操控类型、数据显示类型、警报设置、日志以及开关设置，开关设置中主要包括历史数据、数据分析、运行时间监控、数据访问频度监控、移动安全模块、日志、审计、动作过程、事务管理以及关节防护数据。

数据管理模块主要负责存储、检索攀爬机器人在移动过程中的数据，包括实时数据管理子模块和历史数据管理子模块。

实时数据管理子模块负责管理攀爬机器人移动过程中的实时数据。机器人在移动过程中，需要快速收集、计算大量实时数据，并发布关节机械动作指令。这些过程时间紧任务重，实时数据来不及存入数据库中，只能暂时存入内存或者文件中。实时数据模块就是负责高效收集、整理、组织、存储这些数据。

历史数据管理子模块主要负责把前期暂存在内存和文件中的数据转储到RDBMS数据库或者LDAP服务器中。在攀爬活动结束后，数据的采集和计算基本停止，系统有时间把移动过程中的在内存或者文件的数据存储到数据库或者LDAP服务器中，方便后期的检索和分析。

数据分析模块是在机器人移动控制系统经过长期的数据收集、整理和存储后，可以采用数据仓库和数据挖掘技术找出机器人的运动特征，指导机器人的操控和攀爬运行。具体地说，可以通过切片切块的方式找出最优的决策策略、在各种典型环境中各个攀爬足之间的移动关联规则、攀爬机器人各部件在各种典型环境中的受力特征等。

路径步态层主要在避障模块的帮助下完成三级路径规划和关节步态管理，从宏观到微观依次是全局路径规划、具体的落脚点规划和单步路径规划，输出的是串行指令序列，足式攀爬机器人能根据用户的指令自主到达单一目的地或者多个目的地。本发明中，路径步态层包括避障模块、路径规划模块和关节步态管理模块。

避障模块指导攀爬机器人发现和避开障碍，较大的障碍在选择行进路线时绕开，较小的障碍通过调整关节机械动作序列避开。障碍通常为静态的，避障策略有bug算法、气泡带技术、梯度法等。

路径规划模块包括全局路径规划子模块、落脚点规划子模块和单步规划子模块。

全局路径规划子模块以攀爬环境和机器人的攀爬动作范围、攀爬安全性约束等为输入，从全局角度对攀爬环境进行分析，并从中粗略地筛选出一些关键路线构成具有全局指向性的路径地图。全局路径规划分为可达性计算、路径难度评估、路径排序三个步骤，可达性计算有包括线段可达和跨越可达计算，路径难度评估包括机器人运动特性角度评估和环境特性角度评估两个方面，路径排序包括估算时间优先排序、可靠性优先排序以及综合排序三方面；三个步骤分别与三个接口对应。本发明中，采用一个控制器选择三个接口进行实现，如图3所示。

落脚点规划子模块以攀爬机器人攀爬环境和全局路径地图为输入，根据攀爬机器人各种步态的动作范围，以某种评价指标为依据将路径地图进行分割和离散，从而编排成环环相扣的落脚点序列。在落脚点规划中，需要通过合理的落脚点序列避开障碍和精准到达关键点穿越杆件，这就需要落脚点规划具有适度的前瞻性。落脚点规划的目标是在保证可达性的前提下实现落脚点最少或者能耗最低。

落脚点规划时分为三部分：首先进行关键障碍点规划，瓶颈优先，对于比较高的障碍物，选择高度优先规划；对于比较宽的障碍物，选择宽度优先规划；其次是分段规划，每个关键障碍点把全局路径分解为若干段，每一段外部约束都不同，每一段路径进行单独规划，规划方式包括单步平均距离规划和单步最远距离规划；最后是落脚点调优，包括前向调优、后向调优和关键点调优，比如，在规划完全程攀爬路径后，在每个关键障碍点的前后攀爬点附近存在一些可以前后调整的情况，即落脚点可以适当前移或者后移，以减少一个落脚点，或者落脚更加稳健。具体的算法可以按照从起点到终点逐一检查的前向调优算法，也可以按照从终点到起点倒序检查的调优算法，当然还可以采用在攀爬关键点相邻三点之内的临域调优算法等。落脚点规划模块的设计如图4所示。

单步规划子模块规划攀爬机构在落脚点之间的攀爬运动。单步规划是在落脚点序列规划好之后。如果是双攀爬足，由其特点可知，落脚点序列中每三个落脚点构成一个步态：中间的为基座落脚点，前一个点是开始攀爬位置，后一个点是末端攀爬位置。

关节步态管理模块用于根据约束条件转换为关节动作指令并协调各关节完成攀爬动作，包括关节动作序列转换器、关节触发器、关节动作过程子模块、关节事务系统子模块以及关节防护子模块。

关节动作序列转换器是把层路径规划模块输出的串行指令序列根据攀爬动作范围、外部约束等转换为初步的并行关节指令序列。这样增加了关节动作的并发度，节省了攀爬动作完成的时间，提高了足式攀爬机器人的移动速度

关节触发器负责攀爬机器人多足之间的一个自动协调机制，保障攀爬机器人移动的健壮性和高效性。比如四足攀爬机器人在一只足离开落脚点时，需要事先检查其他三只足是否完全依附杆件，如果没有则事先自动完全依附杆件；比如在攀爬环境平缓稳定宽松时，为加快移动速度，四足攀爬机器人在对角线的前足移动时，触发后足也开始同向同步移动。

关节动作过程子模块负责管理关节机械动作的各个序列，完成一个个有意义的典型的指令动作；通常是根据足式攀爬机器人在移动过程中典型关节机械动作的提炼总结，比如水平直行、向左转、向右转、向上攀爬、向下攀爬等，可以由用户自行编写关节机械动作序列，也可以在海量关节机械动作序列中通过数据挖掘技术得到。

关节事务管理子模块用于保证足式攀爬机器人移动过程中关节机械动作序列的事务特征。这些关节机械动作序列具有原子性(要么都不做，要么都做)、一致性（从一个所有足都依附的状态到另一个所有足都依附的状态）、持久性（一旦提交，所有关节机械动作都会发生）、中间可撤销性（在未提交之前，所有关节机械动作都可以撤销，退回原来的一致性状态，用于发现障碍或者危险、掉电重启之后的关节复原）。

关节防护子模块是指关节机械动作应该受到关节动作的约束，不超过运动极限，减少极端动作的频度，有效保护关节。

硬件相关层主要负责和机器人硬件交互，包括信息采集接口、传感器信息融合模块和执行器接口。信息采集接口通过传感器获取机器人本体自身信息和环境信息，机器人传感器主要包括GPS、IMU、加速度计、角度传感器、力传感器、温度传感器等。

传感器信息融合模块主要采用三维重建技术、数据融合等技术对采集到的传感器的数据进行整理和融合。

执行器接口驱动机器人执行器硬件机构完成预定动作。

本发明的数据流图如图6所示，具体为：操控人员输入操控信息，经安全管理和调度监控后生成控制信息，并进行数据存储和分析；采集机器人本体信息，结合元数据文件对元数据进行初始化；采集攀爬环境信息以及各传感器信息，对机器人进行定位并制作地形图；而后根据上述信息对机器人路径进行规划，并将规划好的串行指令序列进行关节步态管理，最后将关节机械动作序列发送给机器人，机器人顺序执行动作指令。

本发明的工作过程如下所述。

第一步，启动控制系统，读取数据中心的元数据，配置足式攀爬机器人控制系统参数；检查系统各层是否完整、是否准备完成；启动移动安全模块检验用户身份及权限。

第二步，启动传感器设备，采集传感器测量的感知数据，融合传感信息并上传到数据中心。

第三步，根据数据显示模块的设置，把数据中心的数据以正确的形式实时反馈到用户视图层，显示机器人的本体信息和环境信息。

第四步，控制系统接受用户视图层操控模块的指令，如果是“停止移动”指令，则停止，进入第五步；如果不是，则进入第六步。

第五步，把实时数据永久存储到RDBMS或者LDAP中，并进行数据分析和挖掘，找出攀爬机器人移动的潜在规律，退出系统。

第六步，根据操控模块的要求，解析机器人移动目的地。在系统调度监控模块、避障模块帮助下，从宏观到微观进行多层路径规划，得到串行指令序列；然后通过关节步态管理模块得到足式攀爬机器人各关节的机械动作序列。

第七步，足式攀爬机器人各关节执行器根据机械动作序列完成机械动作。

本发明还提供一种轻量级的多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，如图5所示，是保障控制系统运行的较低配置。轻量级多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统不再关注历史数据和系统的安全性、稳健性、完整度，关闭了主控层的移动安全模块、数据中心层的数据分析模块，简化了主控层的系统调度监控模块、数据中心层的数据管理模块、路径步态层的关节步态管理模块，可应用于控制系统计算和存储设备性能欠佳时，或者控制系统运行已经成熟，需要重点关注运行效率的需求中。

Claims (8)

1.一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：包括与用户进行交互的用户视图层、与攀爬机器人硬件进行交互的硬件相关层、进行路径规划和步态管理的路径步态层、完成数据配置组织存储与分析的数据中心层以及调度各层运行的主控层；所述主控层分别与用户视图层、路径步态层以及硬件相关层以及数据中心层相互通信，数据中心层分别与其他各层互联；

所述路径步态层包括避障模块、路径规划模块、关节步态管理模块；其中，避障模块指导攀爬机器人发现和避开障碍，较大的障碍在选择行进路线时绕开，较小的障碍通过调整关节机械动作序列避开；路径规划模块按照逐步求精的原则分为三级规划，从宏观到微观依次是全局路径规划、具体的落脚点规划和单步路径规划，输出串行指令序列；关节步态管理模块用于根据约束条件转换为关节动作指令并协调各关节完成攀爬动作；

所述路径规划模块包括全局路径规划子模块、落脚点规划子模块和单步规划子模块；

其中，全局路径规划子模块从全局角度对攀爬环境进行分析，并从中粗略地筛选出一些关键路线构成具有全局指向性的路径地图；全局路径规划分为可达性计算、路径难度评估、路径排序三个步骤，可达性计算有包括线段可达和跨越可达计算，路径难度评估包括机器人运动特性角度评估和环境特性角度评估两个方面，路径排序包括估算时间优先排序、可靠性优先排序以及综合排序三方面；

落脚点规划子模块根据攀爬机器人各种步态的动作范围，以某种评价指标为依据将路径地图进行分割和离散，从而编排成环环相扣的落脚点序列；首先进行关键障碍点规划，瓶颈优先，对于比较高的障碍物，选择高度优先规划；对于比较宽的障碍物，选择宽度优先规划；其次是分段规划，每个关键障碍点把全局路径分解为若干段，每一段外部约束都不同，每一段路径进行单独规划，规划方式包括单步平均距离规划和单步最远距离规划；最后是落脚点调优，包括前向调优、后向调优和关键点调优；

单步规划子模块规划攀爬机构在落脚点之间的攀爬运动；单步规划是在落脚点序列规划好之后；如果是双攀爬足，由其特点可知，落脚点序列中每三个落脚点构成一个步态：中间的为基座落脚点，前一个点是开始攀爬位置，后一个点是末端攀爬位置。

2.根据权利要求1所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述用户视图层包括数据显示模块和操控模块；数据显示模块用于以列表、图形、仿真攀爬机器人、视频形式展示攀爬机器人攀爬过程中的环境状态和攀爬机器人本体状态；操控模块按照用户选定的方式控制攀爬机器人动作。

3.根据权利要求2所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述用户选定控制方式为预置指令列表、手势、XBox360摇杆或者Kinect方式。

4.根据权利要求1所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述主控层包括系统调度监控模块和移动安全模块，系统调度模块负责系统运行调度、SLAM、警报、日志、运行时间监控和数据访问频度监控，移动安全模块负责用户身份鉴别、权限管理和审计。

5.根据权利要求1所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述数据中心层包括元数据管理模块、数据管理模块和数据分析模块，元数据管理模块负责统一管理控制系统可变、可配置数据的取值，数据管理模块主要负责存储、检索攀爬机器人在移动过程中的数据，数据分析模块采用数据仓库和数据挖掘技术找出攀爬机器人的运动特征、指导攀爬机器人的操控和攀爬运行。

6.根据权利要求5所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述数据管理模块包括实时数据管理子模块和历史数据管理子模块，实时数据管理子模块管理攀爬机器人移动过程中的实时数据，历史数据管理子模块负责在攀爬机器人攀爬移动结束后把移动过程中的数据存储到数据库或者LDAP服务器中。

7.根据权利要求1所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述关节步态管理模块包括关节动作序列转换器、关节触发器、关节动作过程子模块、关节事务系统子模块以及关节防护子模块；其中，关节动作序列转换器将路径规划模块输出的串行指令序列根据攀爬动作范围、外部约束等转换为初步的并行关节指令序列；关节触发器负责攀爬机器人多足之间的一个自动协调机制；关节动作过程子模块负责管理关节机械动作的各个序列，完成一个个指令动作；关节事务管理子模块用于保证足式攀爬机器人移动过程中关节机械动作序列的事务特征；关节防护子模块约束关节机械动作。

8.根据权利要求1所述的一种多层可配置足式攀爬机器人移动控制系统，其特征在于：所述硬件相关层包括信息采集接口、传感器信息融合模块和执行器接口，其中，信息采集接口通过传感器获取机器人本体自身信息和环境信息，传感器信息融合模块主要融合传感器测量的数据，执行器接口驱动机器人执行器硬件机构完成预定动作。