水下机器人控制系统体系结构通用化研究

As the functions of unmanned vehicles get more and more complicated and applications become ever-expanding, a generalized architecture is strongly desired to reduce the complexity of developing, maintaining and upgrading a control system. This project focuses on autonomous underwater vehicles to thoroughly study this problem. Firstly, by borrowing the idea of autonomic computing, each independent part of the control system is generalized as a unit which has the same structure inside and be named autonomic element. Then the control system is obtained by organizing the autonomic elements hierarchically. Since standards have been taken into consideration during the development, this architecture will help the developers to not only avoid duplication of effort, hence shorten the development cycle, but also reduce the complexity of control system maintenance and upgrades. In addition, this project models the architecture based on object-oriented Petri net and study the problem of mission reachability under this architecture. It is expected that this work will verify the correctness of this architecture theoretically. Finally, field experiments will be carried out to further validate this architecture.

随着自主机器人功能的日益复杂和应用领域的不断扩展，迫切需要一个通用化的体系结构来降低控制系统在开发、维护和升级过程中的复杂性。本项目以自主水下机器人为对象对这一问题进行深入研究。首先通过借鉴自主计算的思想，将系统中的各个独立部分抽象成为具有相同模型结构的单元，称之为自主基元；然后通过自主基元的层次式组织形成完整的控制系统。由于在整个设计过程中充分考虑了行业标准化问题，该体系结构将能够避免控制系统开发过程中重复劳动，从而缩短开发周期，也降低了对自主水下机器人进行维护和升级的难度。此外，本项目采用面向对象Petri网对体系结构进行建模，并针对上述体系结构中使命可达性问题进行探索，期望能够在理论上对该体系结构的正确性进行比较严密的论证。最后，本项目计划通过实体机器人外场试验对该通用化体系结构进行验证。

从上世纪70年代初至今，机器人体系结构的研究已经有大约50年的历史。最初，体系结构的研究主要专注于如何实现机器人的能力。随着使命复杂度的提高和机器人需求的增长，研究重点逐渐转移到机器人的开发。为了解决机器人控制系统开发的复杂性问题，本项目对通用化体系结构展开研究，其内容分为两个相对独立的部分。第一部分是对通用化体系结构的构建，以及在此基础上的水下机器人控制系统的开发和试验验证，第二部分是对水下机器人使命可达性问题的理论探索。. 在通用化体系结构的研究过程中，我们进一步提炼了自主基元的共性，对其内部结构进行了一些修改。通过对不同自主基元的层次化组织，我们得到了通用化的控制系统体系结构。在本项目中，我们针对两个不同的应用场景设计了两个控制系统的体系结构。第一个是在实验室环境中实现简单运动功能的微型水下机器人，第二个是我们的工作重点，它是以海洋或湖泊的地形地貌勘测为使命的小型水下机器人。通过两台水下机器人的开发和实体试验验证了通用化体系结构的可行性和有效性。. 对于由自主基元构成的通用化体系结构是否可以顺利完成使命的问题，我们首先采用面向对象Petri网对通用化体系结构进行建模。然后借助Petri网理论中的可达性概念对这个问题展开研究。在本项目中，我们主要考虑同层基元之间存在协调控制的情况，并得到了一个可达性的充分性判据。. 本项目所研究的通用化体系结构改变了过去控制系统设计的思路，将系统中各独立部分的控制和管理相结合，实现真正意义上的模块化封装，从而提高了模块的通用性，缩短了控制系统的开发周期。我们通过实体试验验证了体系结构的有效性，并且通过理论论证了体系结构的正确性。