基于容錯策略的巡檢機器人分布式控制系統(tǒng)可靠性研究

[摘" " 要]在當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，信息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為社會多方關(guān)注的重點，巡檢機器人在多個領(lǐng)域中發(fā)揮了自身的價值。文章以巡檢機器人的控制系統(tǒng)作為主要的分析對象，介紹分布式控制理論，打造具有高性能的多傳感器容錯控制設(shè)備，能夠有效提升巡檢機器人的作業(yè)效率。

[關(guān)鍵詞]容錯策略;巡檢機器人;分布式控制系統(tǒng);可靠性分析

[中圖分類號]TP24 [文獻標(biāo)志碼]A

隨著當(dāng)前遠(yuǎn)程作業(yè)需求的不斷提升，以及需求種類的多樣化，巡檢機器人自身的性能以及控制體系都需要進行升級。因此通過技術(shù)分析以及案例解析闡述系統(tǒng)的升級方案，打造具有容錯率的分布式控制系統(tǒng)，這不僅是文章論述的重點，也是進一步增強巡檢機器人控制系統(tǒng)研發(fā)合理性和可靠性的關(guān)鍵研究課題。

1 分布式控制理論及應(yīng)用

1.1 分布式控制理論

20世紀(jì)70年代中期，美國霍尼韋爾公司主導(dǎo)研究的分布式控制系統(tǒng)，逐步為人們所知[1]。發(fā)展至今，積累了40余年的經(jīng)驗和技術(shù)方案，依舊具有較強的社會應(yīng)用價值。從具體的技術(shù)原理角度來講，分布式控制系統(tǒng)理論是建立在解決復(fù)雜問題的基礎(chǔ)上，打造的綜合性控制方法，是從自動化控制的角度進行研究，其中涵蓋了集中管理以及分散控制的相關(guān)理論體系，利用多層分級以及合作自制的方式打造控制結(jié)構(gòu)。

1.2 技術(shù)體系及應(yīng)用結(jié)構(gòu)

1.2.1 實現(xiàn)分級控制

整體的控制系統(tǒng)往往劃分成3或者4級，通過微處理器作為核心的控制結(jié)構(gòu)，能夠代替原有的模擬儀表，完成對整體系統(tǒng)的模擬控制，同時也可以利用復(fù)雜算法來進行程序控制[2]。其中現(xiàn)場級主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入輸出以及相關(guān)處理，能夠進一步降低通信傳輸?shù)木嚯x，同時也可以減少同一時間的數(shù)據(jù)處理體量，有效提升計算機性能，也可以簡化原有的系統(tǒng)流程。

1.2.2 實現(xiàn)分散控制

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中涵蓋了多個控制器，每一個控制器都可以在獨立編程的基礎(chǔ)上完成不同的任務(wù)，促使整體的系統(tǒng)功能分層，也能夠分化實際的風(fēng)險，從而增強系統(tǒng)的靈活性以及可靠性。

1.2.3 通信體系

整個分布式控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級和管理級等4個層次，如圖1所示?？刂萍壷饕?fù)責(zé)接收現(xiàn)場級上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，并且實現(xiàn)水平上的協(xié)調(diào)以及數(shù)據(jù)交換處理。

2 基礎(chǔ)容錯策略控制分析

2.1 硬件容錯控制方法

從原理角度來講，硬件容錯控制方法主要是建立在硬件冗余的基礎(chǔ)上來實現(xiàn)的。針對某些子系統(tǒng)，落實雙重或者多重備份，打造冗余信息通道。確保在某些條件下，即便系統(tǒng)發(fā)生了故障，依舊可以正常運行[3]?；谠撛泶蛟斐龅撵o態(tài)冗余方案涉及到三模冗余（圖2a）和N模冗余（圖2b）等兩種具有代表性的方法。

（1）動態(tài)硬件冗余。這種方式主要指給其中一個單元設(shè)置一個備用的裝置，在正常運行狀態(tài)下，該單元可以通過獨自運行來完成任務(wù)，若單元本身出現(xiàn)故障，則直接自動切換成備用裝置進行作業(yè)[4]。

（2）混合硬件冗余。這種方式能夠有效提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，可以在多種場合進行應(yīng)用。但是系統(tǒng)本身的成本、重量、空間、結(jié)構(gòu)可能會被改變，這會進一步提升系統(tǒng)運行的復(fù)雜性。因此，想要落實所有硬件的冗余設(shè)置是不現(xiàn)實的，會導(dǎo)致在部分環(huán)境中存在一定限制。

2.2 軟件容錯體系設(shè)置

從具體的應(yīng)用角度來講，系統(tǒng)軟件至少需要具備以下幾方面的性能。首先，在某些環(huán)境下可以針對軟件自身的錯誤進行屏蔽;其次，在某些程度上可以將已經(jīng)出現(xiàn)故障問題的軟件恢復(fù)到正常狀態(tài);最后，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，可以確保部分系統(tǒng)依舊能夠正常運轉(zhuǎn)，按照預(yù)期完成操作任務(wù)。想要達成這樣的目的，需要在當(dāng)前硬件冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行融合性研究，并且打造出多種控制方式。其中時間冗余、靜態(tài)容錯技術(shù)、恢復(fù)塊和信息冗余是較為常見的軟件容錯控制技術(shù)。

3 以容錯控制為核心的巡檢機器人分布式控制系統(tǒng)

3.1 核心方案分析

從技術(shù)角度來看，當(dāng)前巡檢機器人類型較多，且具備一定的交互性，因此其總體結(jié)構(gòu)往往沒有較大的差異。分布式巡檢機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

綜合整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，巡檢機器人的硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及到很多功能。將分布式控制系統(tǒng)融入到控制體系中，實現(xiàn)物理層上的分散，可以有效實現(xiàn)集中管理以及分散控制[5]，可以有效增強整體系統(tǒng)的可控性。

3.2 硬件結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計

3.2.1 主控制器的設(shè)計

本案例中的主控制器主要涉及ARM開發(fā)平臺以及DVR。開發(fā)平臺主要用于對整體系統(tǒng)進行控制，DVR主要負(fù)責(zé)對巡檢機器人采集到的影像圖片進行針對性的刻錄以及儲存[6]。結(jié)合巡檢機器人自身的實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)，ARM開發(fā)平臺還需要具備以下性能。

（1）需要具備多路PWM信號輸出的功能。這樣能夠有效滿足巡檢機器人本身全電極驅(qū)動控制的要求，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)電機調(diào)速控制。

（2）巡檢機器人本身涉及到較多的控制變量，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)十分龐大。因此，必須要具備高效率的運轉(zhuǎn)速度以及處理速度。本次開發(fā)平臺的主頻速度高達72MHz，CPU的運轉(zhuǎn)速度較快，同時消耗較低，能夠有效滿足該需求。

（3）大部分的巡檢機器人需要前往狹窄陰暗的區(qū)域進行作業(yè)，例如管道、隧道。因此，體型和尺寸必須要進行精密管控，能夠在陰暗狹窄的環(huán)境中快速、精準(zhǔn)地處理圖像。選擇高性能的嵌入式DVR能夠有效滿足這一需求。

3.2.2 多傳感器容錯控制系統(tǒng)

上文介紹的硬件冗余容錯技術(shù)體系，在實際應(yīng)用過程中存在較多限制。為此，以下在傳感器軟件容錯控制的基礎(chǔ)上進行針對性分析。

綜合巡檢機器人的實際工作環(huán)境來看，外界環(huán)境條件較為惡劣，有較多的可變因素。為此，可以采取N模冗余容錯技術(shù)與時間冗余容錯技術(shù)體系相融合，打造新型的傳感器容錯控制體系，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

傳感器接收到外界信號后，首先由N模冗余容錯系統(tǒng)進行信號處理，得到最終的準(zhǔn)確信號，然后向主控制器進行傳輸，在這個過程中能夠有效避免物理故障的出現(xiàn)。通過N模冗余處理以及時間冗余處理技術(shù)進行信號的再處理，能夠進一步消除傳感器本身存在的短暫性錯誤，確

保最終得到的檢測信號具有更高的可靠性。

最后是傳感器障礙檢測，信號會被機器人的控制系統(tǒng)

接收，然后控制系統(tǒng)聯(lián)動執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)下一個動作的優(yōu)化和執(zhí)行。

這一整個容錯控制流程完全杜絕了物理硬件故障、系統(tǒng)信號檢測故障的出現(xiàn)，能夠有效提升最終信號的精準(zhǔn)性，也為機器人的行為以及檢測提供了更高的精準(zhǔn)度。

3.2.3 巡檢設(shè)備的選擇及使用

巡檢機器人本身需要搭載巡檢設(shè)備，進行高空或者危險區(qū)域的作業(yè)，檢測周邊環(huán)境的實際情況，因此巡檢設(shè)備本身是提升巡檢機器人應(yīng)用的重要組成部分。巡檢設(shè)備主要涵蓋高清攝像頭、GPS、激光測距儀和紅外成像設(shè)備[7]。

3.2.4 通信設(shè)備

以5G物聯(lián)網(wǎng)為核心打造遠(yuǎn)程通信模塊。架設(shè)無線網(wǎng)橋，通過交換機以及串轉(zhuǎn)網(wǎng)模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程高質(zhì)量通信。

3.2.5 供電體系

不同的硬件系統(tǒng)需要的電壓有一定的差異性，因此還需要配合不同功率的DC模塊來進行供電系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.3 基于容錯管控的智能軟件系統(tǒng)設(shè)計

首先，要打造科學(xué)合理的人機交互界面，顯示巡檢機器人的作業(yè)情況、周邊信息、信號情況和機器人自身姿態(tài)等相關(guān)信息。

其次，需要打造實時的信息采集以及控制體系。在控制系統(tǒng)管理級以及控制級之間，需要制定后臺通信協(xié)議，這樣能夠直接通過遠(yuǎn)程的PC客戶端與機器人本體進行實時通信，有效避免附屬通信設(shè)備以及相關(guān)傳感器受損之后，無法對機器人進行指令傳輸?shù)膯栴}。PC客戶端也可以綜合后臺的通信協(xié)議，直接發(fā)送指令來控制機器人本體，機器人本體上也需要安裝相關(guān)傳感設(shè)備以及通信模塊，并且與傳感器以及其他的通信體系進行分離。這樣能夠有效避免整體系統(tǒng)運轉(zhuǎn)障礙，對該通信模塊產(chǎn)生影響。

最后，落實好自主巡檢的智能操控，在無人干預(yù)情況下能夠自動完成任務(wù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，多傳感器容錯控制體系對于增強機器人的性能有一定的促進作用。分布式控制系統(tǒng)又可以化解部分風(fēng)險，可以為巡檢機器人的高效運行提供有效保障，也可以為相關(guān)領(lǐng)域的智能化操作及創(chuàng)新奠定穩(wěn)定基礎(chǔ)。

參考文獻

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作者簡介

林文雄（1989—），男，廣東汕頭人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為市政道路和交通工程建設(shè)管理。