2、移动机器人控制软件框架的设计

框架的设计一方面考虑了对体系结构的支持，另一方面又打算尽量与体系结构保持一定的独立性，所以对框架做了高度的抽象，整体框架被抽象成了三个部分，即Platform平台、Module模块和Wire通讯连线等。整个框架的结构（部分）如下图所示。

其中Platform类负责模块的加载，对模块的配置以及模块之间通讯的建立，Platform对象是整个应用程序的入口（有Main函数）和出口，并不考虑体系结构和机器人功能的实现，这些都是模块和配置实现的。Module定义了模块应该遵守的接口，和模块要实现的基本功能。模块和Applet类似，有初始化init，开始start，停止Stop和退出Destroy等行为，该接口没有定义模块应该实现哪些功能，这些是模块的具体实现应该考虑的，模块里有两个很重要的变量，分别是该模块的ModuleDoc和端口Ports。ModuleDoc描述了该模块的具体配置信息，例如和硬件通讯时使用的串口名称，或者是网络地址，IP地址，也可能是其他需要传递给具体模块的参数，其中最重要的是模块的名称，用来在系统中唯一的标识模块用的，不能重复；其次是该模块的实现类，供Platform在加载该模块的时候实例化所需。端口Port是模块必须具备的，一个模块至少有一个端口，端口分为输入端口和输出端口，是模块之间通讯的唯一途径。端口也是一个接口，符合该接口的任意实现类都可以作为端口来供模块使用，目前端口是硬编码在模块的代码中的，因此一旦模块编码完毕，使用何种端口也就确定不可更改了。在后续研究中可以考虑把端口与模块的实现分离开来，在系统运行时动态组合，实现更灵活的配置。下图是模块的一个典型配置。模块实现的基本操作是根据输入的数据进行处理后，从输出端口把数据输送出去，当然数据处理的过程可能很复杂，例如可能是图像识别，也可能是障碍物检测，有些还需要进行网络数据库等操作等；有些模块没有输入端口，例如一些人机接口模块（操作面板）；也有些模块没有输出端口，例如图形化显示模块等。

整个软件的功能是由模块决定的，确切的说是由模块之间的协作实现的，模块之间的协作，则是利用端口之间的通讯实现的。在本系统中，端口之间通过虚拟的“线”连接起来的，在系统中用WireConfig来表示，线从输出端口引出，可以连接至多个不同的输入端口；不同线之间可能会存在着交点，根据不同的方式，交点有不同的类型，如下图所示。在输入端口的交点称之为抑制连接，即抑制线输入来的信号可以取代原线上的信号输送到输入端口里去，在输出端口的交点称之为禁止连接，即如果禁止信号线上有数据，则会禁止原信号线上的信号输出。这些概念均取自Brooks的包容体系结构。在Brooks的包容体系结构中，模块之间的通讯是异步的，分层的。在同一功能层内模块的数据是直接发送的；在不同层之间数据则是通过抑制（Inhibit）和禁止（Suppress）进行传递的。这种通讯机制最大的优点就是鲁棒性。即上层模块工作时，可以利用抑制取代原有底层模块的输出；当上层模块失效时，抑制功能丧失，下层模块的输出重新有效，从而避免因模块失效带来的整体功能失效，保证了机器人的基本安全。在我们设计的框架中，同样采用了抑制和禁止这两个通讯功能，不同的是没有分层，而是根据设计者的意图来确定哪些通讯直接相连，哪些通讯之间要互相抑制和禁止。通过这三种通讯方式实现模块之间的协作，实现各种自主智能功能。

其实在一般使用当中，模块之间基本上都是直接线连，出现交叉的情况很少，这种情况的设计主要是为了有软件鲁棒性考虑的应用设计的。例如模块A、B都连接到模块C上，而B优先级大于A，则B－A连接属于抑制连接，当B有信号的时候，会取代A的信号输入到C中，当B没有信号的时候（例如出现了故障，或者没有输出），A的数据仍然可以输入到C中。

2.3 框架的实现

前面分析的主要是思想，这部分讲述的是实现方法。由于本人一直在用Java语言做开发，所以这里也选用Java语言作为该框架的实现语言，但原则上讲用C语言来实现更好，但C语言面向对象特性不好，而且编程的难度大，更不能跨平台，而我的项目所剩时间无多，所以最终开始确定用Java开发。事实证明Java开发的效果也还不错（在实验过程出现了响应缓慢的症状，其原因在于导航的算法，而非语言的问题），而且更可以把某些实时性要求比较高的模块用JNI来实现，速度就更有保障了。

（1）框架的结构

框架由一个平台对象Platform和一个系统配置文件构成，这两者之间的关系，打个比方，配置文件好比一个设计蓝图，描述了整个框架里应该加载多少模块，每个模块的加载信息，以及模块之间的通讯线路等；而Platform对象就像一个装配车间，按照图纸的要求，把模块加载进来，然后建立模块之间的通讯线路。其中，Platform的编程比较容易，因为Java虚拟机能够实现类的动态加载，而且读取XML文档的能力也很强。

实现模块的动态加载代码如下（有删改）：

 /**
  * loading module from xml configuration
  * @param md - ModuleDoc, the robot configuration file
  * @throws Exception - Something wrong, check the message
  * @return the Module Object that has just been generated
  */
 protected Module loadModule(ModuleDoc md) throws Exception
 {
  String cn = md.getClassName(); //读取XML文件中的类名称
  if(cn == null || cn.length() == 0)
  {
   throw new Exception("Wrong Configuration for Module");
  }
  Object m = Class.forName(cn).newInstance(); //创建模块对象
  if(m instanceof Module)
  {
   return (Module) m;
  }else{
   throw new Exception("Failed loading module: " + cn);
  }
 }

加载模块的启动如下（有删改）

 /**
  * booting the platform, 
  * install all the modules and make the system working.
  * 
  * @throws Exception 
  * @see ＃c onfig(String)
  */
 public void booting() throws Exception
 {
  Iterator iterator = confdoc.getModuleDocs();
  while(iterator.hasNext())
  {
   //Loading modules...
   ModuleDoc md = (ModuleDoc) iterator.next();
   Module m = loadModule(md);
   //initialize the modules
   m.init(md);
   //put it in the module hash
   module_hash.put(m.getName(), m);
  }

  //start the modules
  iterator = module_hash.values().iterator();
  while(iterator.hasNext())
  {
   Module m = (Module) iterator.next();
   m.start();
   logit("Module " + m.getName() + " has been started.");
  }
}

模块之间的通讯信息则存储在对象WireConfig的集合中，该类存储了从源模块某端口出发的通讯线路，描述了该线路如何与其他模块的什么端口进行连接，这样在模块发送数据时，可以动态的到该集合中搜索与自己关联的通讯线路，并根据该线路的描述，寻找到可以写入的模块和端口。这些工作都是由端口Port完成的，模块本身无需干预。

输出端口发送数据的实现代码：

 public void setValue(Module module, Object v, long duration)
 {
  //{{{1
  /*judge if output is disabled*/
  if(i_flag && ((System.currentTimeMillis() - timestamp)  {
   return; //output is disabled
  }
  /* Looking for the target module and port */
  Platform platform = Platform.getPlatform();
  if(wc == null)
  {
         wc = platform.getWireConfig(module.getName()+"."+name);
         if(wc == null)
          return;
  }
  
  List list = wc.getWireTargets();
  for(int i=0; i  {
   WireConfig.WireTarget wt = (WireConfig.WireTarget) list.get(i);
   Module m = platform.getModule(wt.getTModule());
   if(WireConfig.WireTarget.WTT_DIRECT.equals(wt.getType()))
   { 
    //direct connect
    m.getPort(wt.getTPort()).setValue(module, v, 1000);
   }
   else if(WireConfig.WireTarget.WTT_SUPPRESS.equals(wt.getType()))
   {
    //to lower layer
    m.getPort(wt.getTPort()).setValue(module, v, wt.getDuration());
   }else
   {
    m.getPort(wt.getTPort()).setValue(module, v, wt.getDuration());
   }
  }
  //}}}1
 }

输入端口接收数据的代码如下：

 public void setValue(Module m, Object v, long duration)
 {
  if(m.getLayer() >= update_level || (System.currentTimeMillis() - update_timestamp) > valid_duration)
  {
   //do not care about the valide duration
   value = v;
   valid_duration = duration;
   update_timestamp = System.currentTimeMillis();
   bReady = true;
   if(listener != null)
    listener.valueUpdated();
  }
 }

至此，完成了模块的加载和通讯线路的建立。

（2）灵活的配置文件

本系统的一个有点就在于其灵活的配置文件，通过使用XML文档描述系统框架，可以在不修改任何代码的情况下通过修改XML配置文件就可以实现不同模块的加载以及模块之间通讯方式的改变，从而可以动态的修改应用的类型，这个在后面的例子中可以看到。首先介绍配置文件的格式如下：

该图描述了一个非常简单的配置文件，只包括了两个模块Sick和Monitor，一条线路连接了SIck模块的sick端口到Monitor模块的monitor端口。这个应用非常简单，就是把激光测距LMS测得的数据图形化的显示在屏幕上而已。可见，配置文件包括了两部分，一部分描述了模块的信息，另一部分描述了通讯线路的信息。目前该模块需要手工进行编辑，期望能够在下一个版本中做一个可视化的图形编辑界面，从而实现移动机器人图形化编程。

（3）模块间通讯

模块间是通过端口进行通讯的，端口只是定义了一些接口，凡是实现该接口的对象都可以做端口，实际上这也是设计的初衷，期望通过采用不同的端口实现类来实现不同的通讯能力。例如目前我们实现的简单端口SimpleInPort和SimpleOutPort就仅仅能够实现同一程序内的数据通讯，可以想象也可以设计可以通过以太网络的通讯端口！然而这部分工作我们还没有做，原因是涉及到网络间的远程调用，实现起来比较复杂，就暂时先放放了。目前网络通讯是通过相应模块实现的。

在目前的实现中，通讯是通过传递对象的引用实现的，这也就意味着无法实行跨系统跨应用，这是这个框架的缺点。优点是这样效率较高，而且可以通过一些折衷手段实现所谓的跨进程跨平台。通讯也分两种，同步和异步。本系统也实现了这两种通讯方式。

首页 上一页 1 2 3 下一页 尾页 跳转到 123页