由于筆者所從事工作性質(zhì)，主要集中在：1.系統設計和2.算法的研究上，3.coding的機會(huì )并不是很多。第二個(gè)原因是：如果1、2工作完成后，3的工作其實(shí)和機器人本身并不大，計算機專(zhuān)業(yè)恐怕會(huì )做的更好。因此本文主要就1給出一些總結和建議。另外，由于所研究的算法過(guò)（wu）于（fa）先（ying）進(jìn)（yong），通常會(huì )在專(zhuān)業(yè)的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表，在此也不做過(guò)多討論。

一、機器人系統架構

 

“架構可定義為組件的結構及它們之間的關(guān)系，以及規范其設計和后續進(jìn)化的原則和指南。簡(jiǎn)言之，架構是構造與集成軟件密集型系統的深層次設計。”

 

系統架構也可稱(chēng)其為如何實(shí)施解決方案的一個(gè)策略性設計（例如基于組件的工程標準、安全）和解決方案做什么的功能性設計（如算法、設計模式、底層實(shí)現）。

 

圖1 機器人功能分解

 

另外，軟件工程的基本要求包括模塊化、代碼可復用、功能可共享。使用通用的框架，有利于分解開(kāi)發(fā)任務(wù)及代碼移植。機器人軟件同樣遵從軟件工程的一般規律。說(shuō)白了，架構就是你如何把機器人的功能打散，再如何把代碼組織起來(lái)。一個(gè)清晰的與項目相匹配的架構直接決定了你的開(kāi)發(fā)效率甚至最終功能的成敗。

 

從人類(lèi)第一臺可編程的機器人開(kāi)發(fā)伊始，架構問(wèn)題就與之相伴而生。早在1996年，Garlan 和 Shaw在《軟件架構：一門(mén)新興學(xué)科的展望》就總結了移動(dòng)機器人的基本設計需求， 如：（1） 慎思規劃和反應式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險；（4）靈活性強。針對這些要求，他們評估了四種用于移動(dòng)機器人的架構，包括控制回路（control loop）、分層（layers）、隱式調用（implicit invocation）、黑板（blackboard）。經(jīng)過(guò)了幾十年的實(shí)踐，一些架構被逐漸淘汰，一些架構逐漸被完善起來(lái)。

 

注意：現在很多機器人開(kāi)發(fā)者一上手就是ROS，雖然ROS是一種比較不錯的系統架構，它的基于node的思想在當時(shí)是非常先進(jìn)的，在今天已成為主流。但我們也要清楚，它只是其中一種架構，尤其是在小型嵌入式設備上定制機器人系統時(shí)，其他的架構可能會(huì )更有效率。另外Master中央控制模式，也是單機時(shí)代的產(chǎn)物，在多機的情形就不是很適用。

1.S-P-A結構

 

圖2 機器人的“see-think-act”工作模式

 

圖3 “傳感——計劃——行動(dòng)”（SPA）結構

 

機器人天然的工作模式是“see-think-act”，所以自然而然的就形成了“傳感——計劃——行動(dòng)”（SPA）結構：從感知進(jìn)行映射，經(jīng)由一個(gè)內在的世界模型構造，再由此模型規劃一系列的行動(dòng)，最終在真實(shí)的環(huán)境中執行這些規劃。與之對應的軟件結構稱(chēng)為經(jīng)典模型，也稱(chēng)為層次模型、功能模型、工程模型或三層模型，這是一種由上至下執行的可預測的軟件結構，

 

SPA機器人系統典型的結構是中建立有三個(gè)抽象層，分別稱(chēng)為行駛層（Pilot）（最低層）、導航層（Navigator）（中間層）、規劃層（Planner）（最高層）。傳感器獲取的載體數據由下兩層預處理后再到達最高“智能”層作出行駛決策，實(shí)際的行駛（如導航和低層的行駛功能）交由下面各層執行，最低層再次成為與小車(chē)的接口，將駕駛指令發(fā)送給機器人的執行器。

 

缺點(diǎn)：這種方法強調世界模型的構造并以此模型規劃行動(dòng)，而構造符號模型需要大量的計算時(shí)間，這對機器人的性能會(huì )有顯著(zhù)的影響。另外，規劃模型與真實(shí)環(huán)境的偏差將導致機器人的動(dòng)作無(wú)法達到預期的效果。
 

 

圖4 基于行為的結構

 

由于SPA系統過(guò)于死板，出現了另一種實(shí)現方法：基于行為的方法?；谛袨榉椒ㄇ吧硎欠磻较到y，反應式系統并不采用符號表示，卻能夠生成合理的復合行為?；谛袨闄C器人方案進(jìn)一步擴展了簡(jiǎn)單反應式系統的概念，使得簡(jiǎn)單的并發(fā)行為可以結合起來(lái)工作。

 

小歷史：Joe Jones和Daniel Roth于2003年出版的《Robot Programming：A Practical Guide to Behavior-Based Robotics》以及使用基于行為系統的iRobot掃地機器人的大獲成功（通過(guò)基于行為的系統可有效實(shí)現遍歷、避免在某處卡死等多個(gè)目標的達成），標志著(zhù)當年基于行為系統結構的統治地位。短短十年間，SLAM的迅速興起，基于地圖的規劃和導航再次興起，很多人似乎忘記了或壓根就沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)Behavior-Based Robotics的存在。

 

圖5 《基于行為的機器人編程》

 

基于行為的軟件模型是一種由下至上的設計，因而其結果不易預測，每一個(gè)機器人功能性（functionality）被封裝成一個(gè)小的獨立的模塊，稱(chēng)為一個(gè)“行為”，而不是編寫(xiě)一整個(gè)大段的代碼。因為所有的行為并行執行，所以不需要設置優(yōu)先級。此種設計的目的之一是為了易于擴展，例如便于增加一個(gè)新的傳感器或向機器人程序里增加一個(gè)新的行為特征。所有的行為可以讀取載體所有傳感器的數據，但當歸集眾多的行為向執行器產(chǎn)生單一的輸出信號時(shí)，則會(huì )出現問(wèn)題。

 

最初的行為之間使用固定的優(yōu)先級，而在現代的應用中則采用更加靈活的選擇方案。

 

“基于行為機器人學(xué)”主要特點(diǎn)包括（參見(jiàn)《嵌入式機器人學(xué)》）：

 

 

在某種程度上，所有行為機器人的動(dòng)作是對刺激的反應而不是依賴(lài)于有意識的規則?；乇苁褂盟伎家巹?，取而代之的是一些計算簡(jiǎn)化的模塊來(lái)實(shí)現從輸入到執行的映射，此舉有利于快速響應?；谶@個(gè)觀(guān)察Brooks言簡(jiǎn)意概的表達出來(lái)其中的原理——“規劃不過(guò)是一種回避計算下一步要做什么的方法”。

 

 

對環(huán)境的處理上不需要構造一個(gè)內部模型以用于執行規劃任務(wù)，而是采用真實(shí)世界“它自己最好的模型”。機器人直接從觀(guān)測中獲取到未來(lái)的行為，而非試圖去生成一個(gè)能夠內部操作的世界的抽象表示并以此作為規劃未來(lái)行動(dòng)的基礎。

 

 

行為按照狀態(tài)——動(dòng)作成對出現，設計為對特定的狀態(tài)做出確定的動(dòng)作響應。

 

 

為適應所要達成任務(wù)目的，在運行期間采用一個(gè)控制方案來(lái)改變行為的激活等級。

 

 

在基于行為系統中運行著(zhù)一定數目作為并行進(jìn)程的行為，每一個(gè)行為可以讀取所有的傳感器（讀動(dòng)作），但只有一個(gè)行為可獲得機器人執行器或行駛機構的控制權（寫(xiě)動(dòng)作）。因此需要一個(gè)全局控制器在恰當的時(shí)機來(lái)協(xié)助行為選擇（或是行為激活、或是行為輸出融合）以達到預期的目的。這將系統的設計工作，就從描述系統本身轉移到定義一個(gè)正常工作的系統的輸出上。

 

說(shuō)多了，感覺(jué)要跑題了。如果你有興趣，并想了解更多關(guān)于編程機器人來(lái)處理未知的東西，推薦Ronald Arkin的《Behavior-Based Robotics》和Thomas Braun的《嵌入式機器人學(xué)：基于嵌入式系統的移動(dòng)機器人設計和應用》。慎思式的機器人編程方法，從中級到高級的探討，推薦Christopher A. Rouff等人的《Agent Technology from a Formal Perspective》。

 

 

 

 

 

沒(méi)有萬(wàn)靈的結構，混合系統結合了SPA和反應體系的原理，將多種混合系統應用于在傳感器和電機輸出間進(jìn)行協(xié)調來(lái)完成任務(wù)?；旌辖Y構相結合最具吸引力的好處可能是：系統按照有利于完成任務(wù)的標準進(jìn)行設計，而非刻板的遵循某一教條。但再復雜的機構，基本上也都是二者的組合。以ROS的導航包為例：

 

圖6 ROS導航包

 

導航包整體上是SPA結構，左右兩側是感知S，包括傳感器數據/里程計/地圖等，中間框圖是Global和Local兩級規劃P，最后發(fā)送cmd_vel給行動(dòng)A。

 

如果世界是完美的，那按照規劃的地圖行進(jìn)到目的地就完事了。然而基于行為方法就是為了處理各種意外而生的。當機器人遇到障礙物或是被卡住的時(shí)候，內嵌的基于行為的系統就開(kāi)始發(fā)揮作用。會(huì )根據情況，在“行為庫”recovery_behaviors中調用某一預先設定的“行為”來(lái)擺脫困境。

 

圖7 recovery_behaviors

 

默認的行為是：首先，清除機器人地圖指定區域以外的障礙。接下來(lái)，如果可能的話(huà)，機器人將執行一個(gè)原地旋轉清理空間。如果這也失敗了，機器人將更激進(jìn)地清理地圖，清除一切可以原地旋轉的矩形區域以外的障礙。這將是另一個(gè)就地旋轉緊隨其后。如果這些都失敗了，機器人將認為其目標不可行，停止運行并通知用戶(hù)。

 

當然，你還可以針對各種意外設計更為復雜的recovery_behaviors “行為庫”以備調用。

三、安全自主機器人應用框架

 

現在還有一種基于場(chǎng)景和態(tài)勢的設計框架SARAA，我覺(jué)得很有趣。安全自主機器人應用架構（SARAA，Safe Autonomous Robot Application Architecture, SARAA）是一種強調安全性的自主機器人的開(kāi)發(fā)方法。

 

圖8 SARAA

 

 

在《機器人編程實(shí)戰》（2017年出版）書(shū)中，詳細介紹了編程一個(gè)機器人自主執行其任務(wù)、構成了所謂SARAA的7項技術(shù)：

 

軟件機器人框架

 

ROLL模型

 

REQUIRE

 

RSVP

 

SPACES

 

STORIES

 

PASS

 

我們稱(chēng)具有這種體系結構的機器人為SARAA機器人。當正確地實(shí)現時(shí)，這些編程技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)基于知識的機器人控制器。因此，一個(gè)SARAA機器人是一個(gè)可以在預先設定的場(chǎng)景和態(tài)勢中自主行動(dòng)的知識型機器人。其中一個(gè)設計思想是根據場(chǎng)景和態(tài)勢對前提/后置條件的判斷以提高安全性。

 

感興趣可訪(fǎng)問(wèn)Ctest實(shí)驗室，SARAA已經(jīng)用于在開(kāi)源機器人平臺內工作，例如Arduino、Linux和ROS。如果對編程SARAA機器人的場(chǎng)景和態(tài)勢很好理解與恰當定義，則SARAA機器人的設計有助于提升機器人的安全性。

 

【作者簡(jiǎn)介：Top Liu，易科機器人實(shí)驗室系統設計師，機器人技術(shù)傳播者，譯著(zhù)有《機器人編程實(shí)戰》、《嵌入式機器人學(xué)》等?！?/div>