從環(huán)境感知到交互，機(jī)器人控制設(shè)計(jì)有哪些特殊技巧？

　　機(jī)器人編程涉及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括環(huán)境感知、交互、移動(dòng)及行為的控制。一個(gè)理想的機(jī)器人編程過程包括（假定硬件已經(jīng)一切就緒）：由于筆者主要從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的工作。因此本文主要就這方面給出一些總結(jié)和建議。另外，由于所研究的算法過（wu）于（fa）先（ying）進(jìn)（yong），通常會(huì)在專業(yè)的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表，在此也不做過多討論。

　　1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.具體功能的算法實(shí)現(xiàn)

　　3.編碼與集成

　　由于筆者所從事工作性質(zhì)，主要集中在：1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)和2.算法的研究上，3.coding的機(jī)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(jī)器人本身并不大，計(jì)算機(jī)專業(yè)恐怕會(huì)做的更好。因此本文主要就1給出一些總結(jié)和建議。另外，由于所研究的算法過（wu）于（fa）先（ying）進(jìn)（yong），通常會(huì)在專業(yè)的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表，在此也不做過多討論。

　　一、機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

　　“架構(gòu)可定義為組件的結(jié)構(gòu)及它們之間的關(guān)系，以及規(guī)范其設(shè)計(jì)和后續(xù)進(jìn)化的原則和指南。簡(jiǎn)言之，架構(gòu)是構(gòu)造與集成軟件密集型系統(tǒng)的深層次設(shè)計(jì)。”

　　系統(tǒng)架構(gòu)也可稱其為如何實(shí)施解決方案的一個(gè)策略性設(shè)計(jì)（例如基于組件的工程標(biāo)準(zhǔn)、安全）和解決方案做什么的功能性設(shè)計(jì)（如算法、設(shè)計(jì)模式、底層實(shí)現(xiàn)）。

　　圖1 機(jī)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(fù)用、功能可共享。使用通用的框架，有利于分解開發(fā)任務(wù)及代碼移植。機(jī)器人軟件同樣遵從軟件工程的一般規(guī)律。說白了，架構(gòu)就是你如何把機(jī)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(xiàng)目相匹配的架構(gòu)直接決定了你的開發(fā)效率甚至最終功能的成敗。

　　從人類第一臺(tái)可編程的機(jī)器人開發(fā)伊始，架構(gòu)問題就與之相伴而生。早在1996年，Garlan 和 Shaw在《軟件架構(gòu)：一門新興學(xué)科的展望》就總結(jié)了移動(dòng)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)需求， 如：（1） 慎思規(guī)劃和反應(yīng)式行為；（2）容許不確定性；（3）考慮危險(xiǎn)；（4）靈活性強(qiáng)。針對(duì)這些要求，他們?cè)u(píng)估了四種用于移動(dòng)機(jī)器人的架構(gòu)，包括控制回路（control loop）、分層（layers）、隱式調(diào)用（implicit invocaTIon）、黑板（blackboard）。經(jīng)過了幾十年的實(shí)踐，一些架構(gòu)被逐漸淘汰，一些架構(gòu)逐漸被完善起來(lái)。

　　注意：現(xiàn)在很多機(jī)器人開發(fā)者一上手就是ROS，雖然ROS是一種比較不錯(cuò)的系統(tǒng)架構(gòu)，它的基于node的思想在當(dāng)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(gòu)，尤其是在小型嵌入式設(shè)備上定制機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，其他的架構(gòu)可能會(huì)更有效率。另外Master中央控制模式，也是單機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物，在多機(jī)的情形就不是很適用。

　　1.S-P-A結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)器人的“see-think-act”工作模式

　　圖3 “傳感——計(jì)劃——行動(dòng)”（SPA）結(jié)構(gòu)

　　機(jī)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(jì)劃——行動(dòng)”（SPA）結(jié)構(gòu)：從感知進(jìn)行映射，經(jīng)由一個(gè)內(nèi)在的世界模型構(gòu)造，再由此模型規(guī)劃一系列的行動(dòng)，最終在真實(shí)的環(huán)境中執(zhí)行這些規(guī)劃。與之對(duì)應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)稱為經(jīng)典模型，也稱為層次模型、功能模型、工程模型或三層模型，這是一種由上至下執(zhí)行的可預(yù)測(cè)的軟件結(jié)構(gòu)，

　　SPA機(jī)器人系統(tǒng)典型的結(jié)構(gòu)是中建立有三個(gè)抽象層，分別稱為行駛層（Pilot）（最低層）、導(dǎo)航層（Navigator）（中間層）、規(guī)劃層（Planner）（最高層）。傳感器獲取的載體數(shù)據(jù)由下兩層預(yù)處理后再到達(dá)最高“智能”層作出行駛決策，實(shí)際的行駛（如導(dǎo)航和低層的行駛功能）交由下面各層執(zhí)行，最低層再次成為與小車的接口，將駕駛指令發(fā)送給機(jī)器人的執(zhí)行器。

　　缺點(diǎn)：這種方法強(qiáng)調(diào)世界模型的構(gòu)造并以此模型規(guī)劃行動(dòng)，而構(gòu)造符號(hào)模型需要大量的計(jì)算時(shí)間，這對(duì)機(jī)器人的性能會(huì)有顯著的影響。另外，規(guī)劃模型與真實(shí)環(huán)境的偏差將導(dǎo)致機(jī)器人的動(dòng)作無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。

　　2.基于行為的結(jié)構(gòu)

圖4 基于行為的結(jié)構(gòu)

由于SPA系統(tǒng)過于死板，出現(xiàn)了另一種實(shí)現(xiàn)方法：基于行為的方法。基于行為方法前身是反應(yīng)式系統(tǒng)，反應(yīng)式系統(tǒng)并不采用符號(hào)表示，卻能夠生成合理的復(fù)合行為?；谛袨闄C(jī)器人方案進(jìn)一步擴(kuò)展了簡(jiǎn)單反應(yīng)式系統(tǒng)的概念，使得簡(jiǎn)單的并發(fā)行為可以結(jié)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(tǒng)的iRobot掃地機(jī)器人的大獲成功（通過基于行為的系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)遍歷、避免在某處卡死等多個(gè)目標(biāo)的達(dá)成），標(biāo)志著當(dāng)年基于行為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)治地位。短短十年間，SLAM的迅速興起，基于地圖的規(guī)劃和導(dǎo)航再次興起，很多人似乎忘記了或壓根就沒聽說過Behavior-Based RoboTIcs的存在。

圖5 《基于行為的機(jī)器人編程》

　　基于行為的軟件模型是一種由下至上的設(shè)計(jì)，因而其結(jié)果不易預(yù)測(cè)，每一個(gè)機(jī)器人功能性（functionality）被封裝成一個(gè)小的獨(dú)立的模塊，稱為一個(gè)“行為”，而不是編寫一整個(gè)大段的代碼。因?yàn)樗械男袨椴⑿袌?zhí)行，所以不需要設(shè)置優(yōu)先級(jí)。此種設(shè)計(jì)的目的之一是為了易于擴(kuò)展，例如便于增加一個(gè)新的傳感器或向機(jī)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(shù)據(jù)，但當(dāng)歸集眾多的行為向執(zhí)行器產(chǎn)生單一的輸出信號(hào)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)問題。

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

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

　　1）感應(yīng)與動(dòng)作的緊密耦合

　　在某種程度上，所有行為機(jī)器人的動(dòng)作是對(duì)刺激的反應(yīng)而不是依賴于有意識(shí)的規(guī)則?；乇苁褂盟伎家?guī)劃，取而代之的是一些計(jì)算簡(jiǎn)化的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)從輸入到執(zhí)行的映射，此舉有利于快速響應(yīng)?；谶@個(gè)觀察Brooks言簡(jiǎn)意概的表達(dá)出來(lái)其中的原理——“規(guī)劃不過是一種回避計(jì)算下一步要做什么的方法”。

　　2）避開知識(shí)的符號(hào)表示

　　對(duì)環(huán)境的處理上不需要構(gòu)造一個(gè)內(nèi)部模型以用于執(zhí)行規(guī)劃任務(wù)，而是采用真實(shí)世界“它自己最好的模型”。機(jī)器人直接從觀測(cè)中獲取到未來(lái)的行為，而非試圖去生成一個(gè)能夠內(nèi)部操作的世界的抽象表示并以此作為規(guī)劃未來(lái)行動(dòng)的基礎(chǔ)。

　　3）分解成具有因果意義的單元

　　行為按照狀態(tài)——動(dòng)作成對(duì)出現(xiàn)，設(shè)計(jì)為對(duì)特定的狀態(tài)做出確定的動(dòng)作響應(yīng)。

　　4）并發(fā)關(guān)聯(lián)行為的時(shí)變等級(jí)調(diào)整

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

　　5）行為選擇

　　在基于行為系統(tǒng)中運(yùn)行著一定數(shù)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(jī)器人執(zhí)行器或行駛機(jī)構(gòu)的控制權(quán)（寫動(dòng)作）。因此需要一個(gè)全局控制器在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)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(dá)到預(yù)期的目的。這將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，就從描述系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)移到定義一個(gè)正常工作的系統(tǒng)的輸出上。

　　說多了，感覺要跑題了。如果你有興趣，并想了解更多關(guān)于編程機(jī)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(jī)器人學(xué)：基于嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用》。慎思式的機(jī)器人編程方法，從中級(jí)到高級(jí)的探討，推薦Christopher A. Rouff等人的《Agent Technology from a Formal Perspective》。

　　一張圖小結(jié)一下：

二、混合系統(tǒng)：實(shí)踐的產(chǎn)物

沒有萬(wàn)靈的結(jié)構(gòu)，混合系統(tǒng)結(jié)合了SPA和反應(yīng)體系的原理，將多種混合系統(tǒng)應(yīng)用于在傳感器和電機(jī)輸出間進(jìn)行協(xié)調(diào)來(lái)完成任務(wù)?；旌辖Y(jié)構(gòu)相結(jié)合最具吸引力的好處可能是：系統(tǒng)按照有利于完成任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而非刻板的遵循某一教條。但再?gòu)?fù)雜的機(jī)構(gòu)，基本上也都是二者的組合。以ROS的導(dǎo)航包為例：

圖6 ROS導(dǎo)航包

導(dǎo)航包整體上是SPA結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)是感知S，包括傳感器數(shù)據(jù)/里程計(jì)/地圖等，中間框圖是Global和Local兩級(jí)規(guī)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(guī)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(dāng)機(jī)器人遇到障礙物或是被卡住的時(shí)候，內(nèi)嵌的基于行為的系統(tǒng)就開始發(fā)揮作用。會(huì)根據(jù)情況，在“行為庫(kù)”recovery_behaviors中調(diào)用某一預(yù)先設(shè)定的“行為”來(lái)擺脫困境。

圖7 recovery_behaviors

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

當(dāng)然，你還可以針對(duì)各種意外設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的recovery_behaviors “行為庫(kù)”以備調(diào)用。

三、安全自主機(jī)器人應(yīng)用框架

現(xiàn)在還有一種基于場(chǎng)景和態(tài)勢(shì)的設(shè)計(jì)框架SARAA，我覺得很有趣。安全自主機(jī)器人應(yīng)用架構(gòu)（SARAA，Safe Autonomous Robot Application Architecture, SARAA）是一種強(qiáng)調(diào)安全性的自主機(jī)器人的開發(fā)方法。

圖8 SARAA

SARAA機(jī)器人總結(jié)

在《機(jī)器人編程實(shí)戰(zhàn)》（2017年出版）書中，詳細(xì)介紹了編程一個(gè)機(jī)器人自主執(zhí)行其任務(wù)、構(gòu)成了所謂SARAA的7項(xiàng)技術(shù)：

軟件機(jī)器人框架

ROLL模型

REQUIRE

RSVP

SPACES

STORIES

PASS

我們稱具有這種體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器人為SARAA機(jī)器人。當(dāng)正確地實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些編程技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)基于知識(shí)的機(jī)器人控制器。因此，一個(gè)SARAA機(jī)器人是一個(gè)可以在預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)景和態(tài)勢(shì)中自主行動(dòng)的知識(shí)型機(jī)器人。其中一個(gè)設(shè)計(jì)思想是根據(jù)場(chǎng)景和態(tài)勢(shì)對(duì)前提/后置條件的判斷以提高安全性。

感興趣可訪問Ctest實(shí)驗(yàn)室，SARAA已經(jīng)用于在開源機(jī)器人平臺(tái)內(nèi)工作，例如Arduino、Linux和ROS。如果對(duì)編程SARAA機(jī)器人的場(chǎng)景和態(tài)勢(shì)很好理解與恰當(dāng)定義，則SARAA機(jī)器人的設(shè)計(jì)有助于提升機(jī)器人的安全性。