系统总体架构设计优化方案

1.远程控制系统模型

远程控制系统是以通信和网络技术为基础的一门先进技术。正是由于通信和网络技术的发展使得远程控制技术得以快速发展。远程控制一般支持以下网络方式：LAN、WLAN、WAN、拨号方式、Internet方式。此外，有的远程控制软件还支持通过串口、并口、USB、红外端口来对有限距离范围内的远程机进行控制。传统的远程控制一般使用NETB10S、IPX/SPX、TCP/IP等协议来实现，目前也有通过WEB页面和Java技术来实现不同操作系统下的远程控制。

远程控制系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离数据传输系统、现场设备监测与控制系统3部分。各部分分工协作，共同实现对设备的远程控制，远程控制系统模型如图3-8所示。

图3-8　远程控制系统模型

1）远程监控终端系统

远程监控终端系统是用户与现场设备进行交互的界面。从功能角度来看，包括远程设备状态的终端显示、控制命令及参数的输入、对命令参数和状态数据进行必要的处理,以及其他操作。由于计算机的广泛应用及其价格越来越低廉，而且用于远程监控的微机可以远离工作现场，基于计算机的远程控制终端软件发展迅速，计算机成为远程监控终端系统的主要操作平台。

2）远距离数据传输系统

远距离数据传输系统作为远程控制的信息传输通道，进行各类控制数据的传输。传输的目的就是将现场的设备状态信息尽快地传输到监控端，使操作人员通过对现场设备状态的了解，决定下一步的措施（比如通过传输系统发出控制命令等）；另外还需将监控端的控制信息传输到现场的控制主机，对设备进行控制。视频图像在某些远程监控应用中起着很重要的作用，但图像信息量大、传输的质量要求高，对通信线路有一定的要求。目前，一般采用将视频音频信号和数据信号分开传递的方法，使它们占用不同的通道、波段或频段。一个通信系统通常由通信介质、通信协议、通信软件、硬件系统等组成。表3.1所示为传输系统现有的一些网络标准。

表3.1　网络通信及协议

3）现场设备监测与控制系统

现场设备监测与控制系统是直接对现场设备进行监测控制的系统。主要任务是根据监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到监控端。现场监控系统实际是一个计算机控制系统，是以计算机为中心的，集现场控制、管理、数据采集为一体的控制系统。

服务机器人远程控制的实现分两步走：第一步先实现对机器人的近程控制；第二步是在近程控制的基础上利用国际互联网或企业内部互联网实现网上的两台计算机之间数据通信，将客户机上的命令传送到服务器上，再经服务器传到机器人控制器，从而间接达到控制机器人的目的。

2.服务机器人近程控制策略

实现机器人的近程控制分3步进行：第一步是先制定主计算机（在远程通信中作为服务器）与机器人控制器之间的串行通信协议，也称近程通信协议；第二步是拟定程序的控制章程；第三步是编制近程通信程序并进行调试。在这里仅仅介绍机器人近程控制的基本原理。

为了对IBM7575／7576服务机器人实施近程控制，近程通信协议分3个层次。第1层是物理级协议，它定义了主计算机和机器人控制器之间的控制线和数据线的连接，所以它也是最底层的关于硬件的协议。第2层是连接级协议，它也是一种较低层的通信协议，不过它定义的是两台通信设备之间的信息交换格式。此格式由5个域组成：第1个域是标志信息文本开始的控制字符；第二个域用来标明信息文本长度的大小；第3个域代表实际要进行交换的数据；第4个域是标志信息文本结束的控制字符；最后一个域是块校验字符。利用这种信息交换格式可以确保信息可靠地发送与接收。第3层是应用级协议，它是一种高层通信协议。该协议定义每一种信息的特殊交换格式和对应的响应，研究的重点是如何将机器人的各种主通信命令从主计算机传送到机器人控制器，然后识别机器人执行命令的响应。应用级协议分为4个域：开始域标明通信类型；第2个域表示处理代码；第3个域代表机器人主通信命令代码；最后一个域是附加域，用来完善信息的整个内容。例如，启动机器人动作的主命令“Start”，用应用级协议表示的交换信息就是“032053”。如果将此信息直接传送给机器人控制器是不行的，实际要传送的信息必须按连接级协议的信息交换格式来进行。因此，按应用级协议缩写的交换信息最终必须表达成连接级协议的格式才能进行传送，而用应用级表示的信息实际上就是连接级信息格式中的第3个域的内容。

有了通信协议，下面的任务就是如何实现主计算机与机器人之间的数据通信。为了实现机器人的近程控制，我们采用了VB6.0的通信控件MSComm，通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。有了MSComm控件后，可以方便地从主计算机将机器人的主通信命令传送到机器人控制器，从而达到对机器人进行近程控制的目的。

3.服务机器人远程控制策略

为实现Internet上对服务机器人的远程控制，网络通信程序的开发应在Windows Sockets上进行。由于Windows操作系统本身和许多开发工具均提供了较多的Socket支持选项，Windows Sockets实现网络通信是比较方便的，如在VB6.0中Windows Socket API就被封装在控件WinSock中。WinSock控件允许使用两种协议连接到远程计算机上并与之交换数据：一种协议是用户报文协议（UDP）；另一种协议是传输控制协议（TCP）。用这两种协议都可以创建客户端和服务器端的应用程序。

WinSock控件的工作原理是：客户端向服务器端发出连接请求，服务器端则不停地监听投测客户端的请求，当两者的协议沟通时，客户端和服务器端之间就建立起了连接。这时候，客户端继续请求服务器发送或接收数据，服务器则在等待客户端的这些请求，一旦请求被采纳，客户端和服务器端就可以实现双向数据传输。不管是客户端还是服务器端，发送数据都是主动的，而接收数据都是被动的。为了便于客户机在异地控制本地制造系统中的服务机器人，在本地的服务器方用WinSock控件创建了一个监听线程，随时监听是否有客户的连接要求，并决定是否要响应请求。而在客户方也用WinSock控件建立了一个连接线程，在需要时发送连接请求。如果服务器接受连接请求，则它发送一条消息给客户方，告诉对方可以接管机器人的控制权。此后，客户机可根据实际需要发送控制指令给服务器，服务器再把该指令通过串行通信的方式传给机器人的控制器，进而达到控制机器人的目的。在机器人执行指令的过程中，服务器可根据需要及时把指令的执行情况传回给客户方，这样客户就能知道机器人的具体执行情况了。

1）机器人平台硬件组成

该平台主要由机械系统（移动平台）、控制驱动系统（驱动控制电路、本体驱动电机、视觉云台控制电机）、视觉系统（摄像头、图像采集卡等）、传感器系统（红外、超声等传感器）、通信系统、上位机及外围电路等组成。如图3-9所示。(www.xing528.com)

智能机器人平台采用了主从结构的分布式处理方式，由上位机系统来协调控制各个子模块系统。各个子系统都有自己的数据处理机制，数据处理都在本模块的DSP处理器中完成。上位机只是负责数据融合、任务分解、策略选择制定、协调控制各个子模块等工作。

图3-9　移动机器人平台硬件组成

a）控制驱动系统

上位机对驱动层的控制命令有两类：速度控制和定位控制。在机器人本体进行速度控制时，位置控制可以中断它，而进入位置控制状态。在位置控制时，速度控制也可以中断它，而进入速度控制状态。位置控制结束后，总是使速度控制量为0而进入停止状态。

b）传感器系统

传感器系统主要由超声传感器、红外传感器组成。所有传感器的数据采集和数据处理都在该系统的DSP中处理完成。上位机通过串口与该系统交互，当上位机需要数据时，通过命令让其发送处理完成以后的各种信息。上位机也可以通过该系统控制各个传感器的工作情况。传感器系统采用模块化、开放式的结构来设计传感器系统。

2）软件系统

机器人本体采用主从式控制结构，主控上位机采用低耗CPU单板计算机，驱动系统和非视觉传感器信息处理单元都采用DSP技术来控制，通信系统采用的是wireless LAN通信方式。控制系统结构如图3-10所示。

图3-10　机器人控制系统

机器人平台包括传感器模块、决策模块、电机驱动模块等。

机器人通过视觉、红外或超声等传感器感知外界的信息，决策模块根据相应的信息决定机器人的动作和行为，将指令发送给电机驱动模块，控制机器人做相关的运动。

4.远程控制性能因素

一个远程控制系统必须快速、准确、稳定、可靠地运行。影响一个远程控制系统正常运行的因素主要有实时性因素、可靠性因素、系统稳定性因素。这3个因素也是目前无线远程控制技术所要研究和解决的主要难题。

1）实时性

实时性是远程控制系统的一个比较重要的性能指标。如果由于各种原因，使得监控用户发送的控制命令不能立即使设备产生作用，造成了设备动作的不连续，影响控制系统的正常工作。同时，设备的一些状态信息不能及时反馈给用户，必然引起用户在判断现场设备运行时出现偏差。这些都会导致远程控制系统的性能不可靠。一个系统的实时性通常采用响应时间来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需要的时间。响应时间越短，标志着系统的性能越好。

在远程控制系统中，需要传输的数据有多种，主要是反馈的设备状态数据和用户的控制命令这两种，它们的处理时间和传输时间对实时性产生主要影响。而处理时间受处理系统和作用系统的硬件与软件影响，所以只要合理的设计和选择硬件与软件都可以缩短处理时间。对于传输时间来说，如果传输系统属于专用的远程通道，那么传输介质的选择将是决定性的因素。如果是借用其他信道的方式，如公用电话网、GSM、因特网，那么传输方式及传输协议的设计选择将是主要的决定因素。对于基于无线网络的远程控制的传输系统，传输时间是决定系统实时性的主要的因素，因而必须合理有效地设计和选择一定的网络传输协议，以达到缩短总的消耗时间的目的，从而改善实时性。

2）可靠性

一个远程控制系统的可靠性主要是指远程监控终端系统、远距离数据传输系统和现场设备监控系统的可靠性。可靠性是一个控制系统的基本要求之一。

对于远程控制来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。而传输系统的可靠性在于传输介质与传输方式等因素。可靠性可以用公式R=MTBF/（MTBF+MTIR）描述。其中R表示可靠性，MTBF表示平均无故障时问，MTTR表示平均故障修复时间。因此增大可靠性的有效思路是增大平均无故障时间或者减少平均故障修复时间。

3）稳定性

稳定性因素是指现场监控终端在监控终端的监控下，能够稳定运行，不产生震动、中断、跳变等不正常现象。第一，由于时延的影响，现场监控系统在上一步命令执行完成，还没有接收到下一步执行的控制命令时，必然产生一定的控制过程中断。如果现场监控系统没有对该中断做出一定的弥补措施，必然导致不可预测的结果；第二，现场控制系统产生了异常错误，要求监控终端给予快速修正，但是，由于传输时延影响，数据到达监控终端需要一定的时间，从而使得异常错误在现场没有得到有效的终止，有可能导致不可预测的结果；第三，数据传输的错误有可能导致出现不稳定状态，传输系统可能由于外界干扰等原因使得数据传输错误，导致对设备的控制出现不可预测的结果，从而影响系统的控制稳定性。