基于中间件技术和Petri网的机器人群控系统的研究

论文摘要

随着科学技术的发展,机器人的性能不断提高,其应用的深度和领域正不断扩展。一些复杂的任务需要多种类的机器人相互协调与合作才能完成。而不同作业和应用现场的机器人差别很大,它们的设计体现了很大的异构性,具有不同的硬件平台、操作系统、通信协议和编程语言,机器人开发商提供的编程环境也跟不上现代软件技术的发展。另外多机器人的动作往往是并发的,控制系统在保证处理复杂异构信息的基础上还需对多机器人的动作序列进行综合分析,建立模型,有效控制。多机器人的协调运动控制,是非常必要的。因此,研究如何屏蔽多机器人之间的异构性,制定统一接口,实现异构机器人之间无障碍的相互通信、相互协作,成为一个非常有意义的研究课题。论文引入CORBA中间件技术解决多机器人系统的分布式异构问题。利用CORBA能综合异构机器人之间的不同特性,通过IDL接口定义语言在异构机器人自身软件环境之间抽象定义统一的接口规范,在此基础之上形成机器人控制系统的三层网络结构,即本地机器人层、服务端、客户端。服务端根据IDL语言特性完成不同机器人的对象实现,而客户端可以利用对象请求代理(ORB)来实现服务端的最终调用,不需要知道服务端所在的位置。客户端和服务端可以运行在不同的操作系统上,采用不同的编程语言进行开发。CORBA中间件技术可以使机器人应用程序的开发模块化,更加简单、快速,能够提高系统的可移植性、可重用性和可维护性。针对多机器人系统在传输加工过程中任务序列的时间消耗,引入了Petri网理论。Petri网具有很强的离散事件建模能力,将它应用于多机器人协调操作数学模型的建立和分析上具有独特的优越性。通过Petri网描述系统,可按照一定的优化准则计算从最初标识到目标标识的最优路径。主要从以下几个方面对异构机器人群控系统进行了介绍:首先,深入分析了CORBA中间件技术的规范、体系结构、IIOP协议和CORBA服务。由于CORBA只是一个技术规范,不是一种具体的编程语言,因此需要有一个支持CORBA的开发环境,论文采用TAO作为CORBA开发平台。其次对系统的框架结构和整体的开发流程作了介绍。根据不同种类的机器人定义了一套通用标准化的接口,并分别在服务端和客户端完成了对接口的实现。第三用时间Petri网对典型任务建模,并编制了任务序列优化程序,针对具体的应用背景,对不同优化算法进行了试验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 中间件在机器人技术中的应用
• 1.2.2 Petri网发展历史与现状
• 1.3 研究内容与章节安排
• 第二章 群控机器人系统组成及方案分析
• 2.1 机器人系统组成
• 2.1.1 MOTOMAN-UP6机器人
• 2.1.2 Pioneer3移动机器人
• 2.2 中间件技术分析
• 2.2.1 CORBA（公共对象请求代理体系）概述
• 2.2.1.1 CORBA特性
• 2.2.1.2 接口定义语言（Interface Definition Language）
• 2.2.1.3 IIOP（Internet Inter-ORB Protocol）协议
• 2.2.1.4 CORBA技术特点和优点
• 2.2.2 CORBA的应用开发平台—TAO
• 2.3 基于CORBA中间件技术的设计方案
• 第三章 机器人群控系统设计与实现
• 3.1 系统的框架设计
• 3.2 系统的软件开发
• 3.2.1 IDL文件的定义
• 3.2.2 服务端程序的编制
• 3.2.3 客户端程序的编制
• 3.2.4 客户端机器人运动仿真
• 3.3 系统测试
• 第四章 Petri网在机器人群控系统中的应用
• 4.1 Petri网简介
• 4.1.1 Petri网定义
• 4.1.2 Petri网图形标识
• 4.1.3 时间Petri网系统
• 4.2 系统作业任务时间Petri网建模
• 4.3 系统作业任务序列的时间优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 本文的研究成果
• 5.2 需要完善的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成的论文及参加的课题
• 学位论文评阅及答辩情况表