专利名称：：可重构数字控制器的自治域系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种计算机数字控制
技术领域：
的系统，特别是一种可重构数字控制器的自治域系统。技术背景可重构制造系统是一种具有主动适应外界环境变化和被动响应系统内部扰动两大功能的制造系统，它能够在现有系统的基础上通过系统构件的重构，改变系统的结构，从而调整系统的功能和生产能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变化。可重构制造系统，其6个特征分别为模块化、可扩展性、可集成性、可转变性、客户定制、可诊断性。其中模块化作为可重构制造系统的最核心特征。可重构制造系统由上层可重构数字控制器和底层可重构机器组成。可重构数字控制器是可重构制造系统的重要组成部分之一，也是可重构技术能够实现的关键所在。其发展历史较短，目前还没有形成统一的标准体系。而且在重构单元的粒度、重构方式、系统结构等方面仍存在不完善之处，进而制约了可重构制造系统的大范围应用。可重构数字控制器的职能包含与用户的重构命令交互、重构任务理解、重构资源分配，以及控制最终各功能模块完成生产任务等功能。从功能上划分为可重构接口模块、状态协调器模块、自治域系统模块。可重构接口模块用以解决可重构数字控制器与上层规划系统的数据接口，提供重构信息的接收、解析、封装、发送等功能；状态协调器模块是可重构数字控制器与外界信息交互的信道，也是可重构接口模块与自治域模块衔接的纽带，提供通信端口配置、自治域模块协调、信息反馈、信号过滤、信号处理等功能；自治域系统模块是可重构数字控制器的核心，负责可重构行为和过程的具体实施。经对现有技术文献的检索发现，美国密西根大学可重构制造系统工程研究中心(ERCRMS)Y.Koren等在(EngineeringResearchCenterforReconfigurableMachineSystemR印ort》(可重构机床研究中心报告)(1997年4月第一期)上发表的("ReconfigurableManufacturingSystem")(可重构制造系统)，该文中首先提出可重构制造系统逻辑控制器，文中对逻辑控制器的研究仅从理论的角度进行分析并没有实质性地区别于常规控制器的范畴。
发明内容本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种可重构数字控制器的自治域系统，使其实现控制器对工作设备的高效调配、监控及控制。本发明是通过以下的技术方案实现的，本发明包括信息感知模块、交互接口模块、中枢系统模块和执行模块，其中信息感知模块负责接收温度、力、位姿、图像信息，并将该信息传输给中枢系统模块，交互接口模块负责获得用户辅助信息，并将用户辅助信息传输给中枢系统模块，中枢系统模块负责接收信息感知模块和交互接口模块传输的信息，运用已有的知识，对这些信息进行理解、确定执行目的，进行计算和处理，并根据确定的执行目的，决定具体的控制策略，将处理好的信息传递给执行模块；执行模块负责将接收到的处理后的信息执行作用到对象或环境上。所述信息感知模块，包括内信息感知子模块和外信息感知子模块，内信息感知子模块负责进行自我行动、状态的监视和内部信息感知，对整个可重构数字控制器的内部状态、性能和位姿进行感知，是整个信息感知模块的基础；外信息感知子模块通过各种传感器，负责获取外部环境中声音、温度、图像、力信息，内信息感知子模块和外信息感知子模块均将信息传输给中枢系统模块。所述交互接口模块，包括用户和可重构数字控制器之间的接口和可重构数字控制器内部各模块之间的接口，用户和可重构数字控制器之间的接口负责可重构数字控制器与用户的信息交互，可重构数字控制器内部各模块之间的接口负责其他可重构数字控制器之间进行文本信息、语音信息、图像信息、动画信息的交互，通过键盘输入、语音输入、机器视觉、虚拟现实手段交互沟通，确定各种参数，规划约束条件，分析和解决具体的问题。所述中枢系统模块，负责实现整个可重构数字控制器系统的执行、感知、思维和交互四大机能所涉及的协调、信息处理、管理、反馈、监控功能，中枢系统模块包括可重构知识库子模块、环境理解子模块、意图理解子模块、状态机决策子模块，其中可重构知识库子模块是整个可重构数字控制器的核心，负责存储各种信息，信息包括控制算法信息、启发式搜索信息、推理规则信息、规划及策略信息，用户获取信息，信息经过整理通过人工移植方式输入可重构知识库子模块；环境理解子模块负责对信息感知模块所采集到的信息进行信息融合，并调用重构知识库子模块中相应类型的信息处理程式进行处理；意图理解子模块负责将环境理解子模块所处理的信息与交互接口模块获得的辅助信息相结合，调用可重构知识库子模块中相应信息，确定用户的执行目的。状态机决策子模块，根据环境理解子模块处理好的结果及意图理解子模块得到的用户目的，进行状态判断，如果未满足状态改变要求，则继续通过信息感知模块进行信息采集，否则通过有限状态机确定具体的执行策略，最后调用相关状态下的执行模块，完成执行任务。所述执行模块负责对外界环境和对象进行作用，包括语音输出、改变力特征、温度调节控制、图片摄取、位姿状态改变。本发明工作时，信息感知模块的内信息感知子模块和外信息感知子模块分别进行内部信息感知和从外界接收温度，力，位姿，图像等信息，并将该信息传输给中枢系统模块；同时，运用交互接口模块的用户和可重构数字控制器之间的接口、可重构数字控制器内部各模块之间的接口，获得用户辅助信息并将该信息传输给中枢系统模块；中枢系统模块运用可重构知识库子模块中已有的知识，对信息进行有目的的环境理解、意图理解，确定用户目的，状态机决策子模块根据用户的目的，确定具体的控制策略，将处理后的信息通过执行模块作用到对象或环境上，在执行模块工作过程中，信息感知模块不断进行信息采集，进行自我监视和调控。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)本发明从可重构数字控制器自治域的功能结构的角度出发，系统地解决了自治域各个组成模块的职能、工作流程等问题；(2)本发明在结构上采用了的模块化结构，具备着可重构的性能，使得可重构数字控制器在硬件和软件功能上都能很容易的实现重构以满足不同类型数控产品的具体要求；(3)数控产品在具体使用过程中，利用可重构控制器自治域模块，在整个制造过程中的加工顺序以及加工过程也能够很容易地实现重构；(4)本发明使得可重构数字控制器在硬件设计和软件设计上得到快速重构，大大节省开发与投产周期，使得数控系统原本开发周期半年縮短到2-3月。图l是本发明系统结构框图；图2是本发明信息感知模块结构框图；图3是本发明交互接口模块的结构框图；图4是本发明中枢系统模块中有限状态机的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括信息感知模块、交互接口模块、中枢系统模块和执行模块，其中信息感知模块负责接收温度、力、位姿、图像信息，并将该信息传输给中枢系统模块，交互接口模块负责获得用户辅助信息，并将用户辅助信息传输给中枢系统模块，中枢系统模块负责接收信息感知模块和交互接口模块传输的信息，运用己有的知识，对这些信息进行理解、确定执行目的，进行计算和处理，并根据确定的执行目的，决定具体的控制策略，将处理好的信息传递给执行模块；执行模块负责将接收到的处理后的信息执行作用到对象或环境上。所述信息感知模块，包括内信息感知子模块和外信息感知子模块，内信息感知子模块负责进行自我行动、状态的监视和内部信息感知，对整个可重构数字控制器的内部状态、性能和位姿进行感知，是整个信息感知模块的基础；外信息感知子模块通过各种传感器，负责获取外部环境中声音、温度、图像、力信息，内信息感知子模块和外信息感知子模块均将信息传输给中枢系统模块，内信息感知子模块和外信息感知子模块均将信息传输给中枢系统模块。如图2(a)所示，所述内信息感知模块，包括如下子模块状态感知子模块、性能感知子模块、位姿感知子模块，其中所述状态感知子模块，由自治域内部一些反馈检测装置如报警系统、监视系统等，获取当前的自治域的工作状态；所述性能感知模块，由性能测评装置比照预定的工作性能对当前的工作状态下，进行性能的感知；所述位姿感知模块，由位姿传感器测量并反馈当前自治域的位姿状态；如图2(b)所示，所述外信息感知模块，包括如下子模块视觉子模块、触觉子模块、嗅觉子模块、接近觉子模块、听觉子模块，其中所述视觉子模块，由摄像装置和图像处理机组成，负责感知、获取目标物的明暗、距离和颜色三种信息，进而识别目标物的形状、位置、姿态、色别特征参数；所述触觉子模块，通过触觉感知环境信息，以产生柔软、灵活、可靠的动作，从而完成复杂的作业，而且触觉本身可以配合或者在某些特定的条件下代替视觉识别物体；所述嗅觉子模块，感知周围环境的气味，使得可重构数字控制器工作于恶劣危险的工作环境中；所述接近觉子模块，感知周围环境与自身的距离；所述听觉子模块，感知周围环境的各种声音信息。所述交互接口模块，包括用户和可重构数字控制器之间的接口和可重构数字控制器内部各模块之间的接口，用户和可重构数字控制器之间的接口负责可重构数字控制器与用户的信息交互，可重构数字控制器内部各模块之间的接口负责其他可重构数字控制器之间进行文本信息、语音信息、图像信息、动画信息的交互，通过键盘输入、语音输入、机器视觉、虚拟现实手段交互沟通，确定各种参数，规划约束条件，分析和解决具体的问题。如图3所示，所述交互接口模块，包括如下子模块系统设置模块、系统初始化模块、参数和状态监控模块、显示模块、仿真模块、故障诊断模块、文件处理模块。所述系统初始化模块，系统开机进行初始化的时候，负责进行系统自诊断，査找配置的各种硬件设备，读取配置文件夹的配置文件，对系统进行初次配置，并将初次配置传输到系统设置模块；所述系统设置模块，负责由用户对各种信息进行理解设置、规划和设定控制策略、规定约束条件，在系统初始化模块里面，已经对系统的参数进行了初始的设置，如果系统初始化模块初次配置不符合要求，或者要求改变，用户通过系统设置模块进行参数设置，直接改变硬件配置参数，并且写入配置文件，作为下次启动时的默认配置，同时，提供给参数和状态监控模块必要的需显示及监控的信息；所述参数和状态监控模块，负责对己经由系统初始化模块对系统的参数进行初始设置，但初始设置不符合要求或者要求改变，进行参数的重新设置，并监控系统的状态信息；所述界面显示模块，根据系统设置模块里的设定来调用需要显示的界面元素，参数和状态监控模块取得这些需要显示的界面元素的实际数据，在界面上显示出来；所述仿真模块，负责利用计算机来模拟实际的执行过程，是验证执行模块的可靠性和预测执行过程的工具，减少执行过程出错的机率，提高工作效率，同时，仿真模块还可在实际执行过程中进行实时仿真；所述故障诊断模块，负责对各个执行模块进行检测和调试，最终确定并解决问题；所述文件处理模块，负责信息的存储、提取和解释。所述中枢系统模块包括可重构知识库子模块、环境理解子模块、意图理解子模块、状态机决策子模块，其中可重构知识库子模块是整个可重构数字控制器的核心，负责存储各种知识，知识包括控制算法、启发式搜索、规则推理、规划及策略，用户获取知识，经过整理通过人工移植方式输入可重构知识库子模块；环境理解子模块负责对信息感知模块所采集到的信息进行信息融合，并调用重构知识库子模块中相应类型的信息处理程式进行处理；意图理解子模块即环境理解子模块所处理的信息，结合交互接口模块获得的辅助信息，调用重构知识库子模块中相应知识，确定用户目的；状态机决策子模块，根据环境理解子模块处理好的结果及意图理解子模块得到的用户目的，进行状态判断，如果未满足状态改变要求，则继续通过信息感知模块进行信息采集，否则通过有限状态机确定具体的执行策略，最后调用相关状态下的执行模块，完成执行任务。对于不同的控制任务，状态机的内容不同，所以状态机需要不断的学习，从而满足不同任务、不同状态下的执行。所述执行模块，负责对外界环境和对象进行作用，包括语音输出、改变力特征、温度调节控制、图片摄取、位姿状态改变。为描述中枢系统模块接口的定义和执行模块之间的连接，建立了有限状态机、端口以及控制模块的数学模型，将中枢系统模块的状态机决策子模块按照有限状态机的机制进行设计。所述有限状态机实现了自治域模块的自治性，其控制过程是一系列离散事件的有序集合，在事件发生之前系统则处于某一稳定状态，稳定状态之间的变化需要外界消息的激发，而状态之间的变化又常常伴随着事件的发生，这一特点为有限状态机在可重构数字控制器的状态机决策子模块中的使用提供了前提条件。如图4所示，有限状态机是一种表达离散事件系统的有效方式，一个有限状态机用一系列节点和标记了事件的带箭头的直线来抽象描述，图中节点代表状态，从一个状态指向另一个状态的箭头(弧)代表状态的转移。有限状态机(FSM)的数学模型如下有限状态机用一个五元组来表示，即FSM:(g,S^，g。,F)，其中(1)2是有限状态机中所有状态的集合，对应于图4中的有限状态机，^=讽"^4，5V她5,iSy她Q;(2)S是有限状态机标识的所有事件的集合，对应于图4中的有限状态机，2={",/,c，<i};(3)5:gxSj^是转移函数，图4中的有限状态机的转移函数由表1给出;表l有限状态机的状态转移<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(4)《。e2是初始状态的集合，《。={5W"};(5)Feg是终结状态的集合，F^StofeB〉。终结状态的集合F表达了有限状态机期望达到的一些最终状态，通过标记这些表达任务循环终结的状态，确保系统的每个状态都能够达到一个标记状态，从而避免死锁现象发生。事件集合S可进一步分为两个子集^和1^.，分别代表可控事件和不可控事件。对于某一模块的控制程序来说，其中可控事件；可被控制程序解除，而不可控事件2ue必须由控制程序激活。控制集合M是一个有限状态机以及有限状态机可接受的一组输入、输出事件的集合，即M={KW,{M.1,,M.},...,{M./,,M./。,}}式中i^M表示接受输入、输出事件的有限状态机，M.l,"表示第l组输入事件集合，M.l。w表示第l组输出事件集合。M./,"表示第z'组输入事件集合，M.U表示第Z组输出事件集合。控制集合M的所有输入或输出事件集合必须是离散的，输出事件集合中的事件由控制集合M决定是否产生，即输出事件对于这个控制模块来说可控事件;而输入事件集合中的事件不能由控制集合M控制，其产生与否由与控制集合M相连的其他集合决定，即输入事件对于这个控制集合来说是不可控事件。应该指出，每个可控事件对于其他集合来说都是不可控事件，而不可控事件对于其他控制集合来说则有可能是可控事件。端口是控制集合的一对输入、输出事件集合，例如控制集合M的第/个端口表示为M.z'，这种表示也代表该端口包含的一系列事件。己知两个控制集合il^和Ms，其中M,={^^,{^.1,，^.1。丄".，{^.",，^^"。,}}MB={FSMS,{Ms.1,,Ms1。,},…,{MB.",,Ms"。,}}若Md;MAn,MJ。w^M,.人，(Kj〈n，l〈k〈n)表示A的第7个接口可以和A^的第it个接口连接。也就是说，两个控制集合可以相连的条件是，一个控制集合的输出事件必须被另一个控制集合的输入识别。为了实现中枢系统模块和执行模块的同步，在前面定义控制集合和端口的基础上，提出通过定义控制集合的端口可识别语言来设计模块化控制器的方法。这种方法不仅简化了设计，而且可以通过修改端口语言使得控制集合可重用，同时不改变连接控制集合的可控制性。控制集合的端口可识别语言完全由该端口的不可控(输入)事件构成。如上述的il^的第_/个端口与Ms的第6个端口的连接，生成的新组合控制集合的端口可识别语言只由，A^丄中的事件组成。本实施例工作时，信息感知模块的内信息感知子模块和外信息感知子模块分别进行内部信息感知和从外界接收温度、力、位姿、图像等信息，并将该信息传输给中枢系统模块；同时，运用交互接口模块的用户和可重构数字控制器之间的接口、可重构数字控制器内部各模块之间的接口，获得用户辅助信息并将该信息传输给中枢系统模块；中枢系统模块运用可重构知识库子模块中己有的知识，对信息进行有目的的环境理解、意图理解，确定用户目的，若某一事件其执行过程分为若干状态，环境理解子模块对信息感知模块所采集到的信息进行信息融合，并调用可重构知识库子模块中对应于该类事件的信息处理程式进行信息处理，再经过意图理解子模块确定的目的输出作为事件状态机决策子模块的输入事件M.l,"，定义其为事件a，事件a的转移函数为口a，对于该离散事件，当输入时其状态为StateA，通过有限状态机F^^对输入事件M.lw结合己获取的相关信息处理及决策(即状态转移函数口a的作用)，确定最终执行状态StateB，产生状态机决策子模块的输出事件M.l。w，其控制集合为M-(/^M,(M.l,。,M.l。wU，其中只有一个端口M.1，根据执行策略由执行模块作用到对象或环境上，在执行模块工作过程中，信息感知模块不断进行信息采集，进行自我监视和调控。与现有技术相比，本实施例从可重构数字控制器自治域的功能结构的角度出发，系统地解决了自治域各个组成模块的职能、工作流程等问题；另外本实施例使得可重构数字控制器在硬件设计和软件设计上得到快速重构，大大节省开发与投产周期，使得数控系统原本开发周期半年縮短到2-3月。权利要求1.一种可重构数字控制器的自治域系统，其特征在于，包括信息感知模块、交互接口模块、中枢系统模块和执行模块，其中信息感知模块负责接收温度、力、位姿、图像信息，并将该信息传输给中枢系统模块，交互接口模块负责获得用户辅助信息，并将用户辅助信息传输给中枢系统模块，中枢系统模块负责接收信息感知模块和交互接口模块传输的信息，运用已有的知识，对这些信息进行理解、确定执行目的，进行计算和处理，并根据确定的执行目的，决定具体的控制策略，将处理好的信息传递给执行模块；执行模块负责将接收到的处理后的信息执行作用到对象或环境上。2.根据权利要求l所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述信息感知模块，包括内信息感知子模块和外信息感知子模块，内信息感知子模块负责进行自我行动、状态的监视和内部信息感知，对整个可重构数字控制器的内部状态、性能和位姿进行感知，是整个信息感知模块的基础；外信息感知子模块通过各种传感器，负责获取外部环境中声音、温度、图像、力信息，内信息感知子模块和外信息感知子模块均将信息传输给中枢系统模块。3.根据权利要求2所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述内信息感知模块，包括如下子模块状态感知子模块、性能感知子模块、位姿感知子模块，其中所述状态感知子模块，由自治域内部反馈检测装置获取当前的自治域的工作状态；所述性能感知模块，由性能测评装置比照预定的工作性能对当前的工作状态下，进行性能的感知；所述位姿感知模块，由位姿传感器测量并反馈当前自治域的位姿状态。4.根据权利要求2所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述外信息感知模块，包括如下子模块视觉子模块、触觉子模块、嗅觉子模块、接近觉子模块、听觉子模块，其中所述视觉子模块，由摄像装置和图像处理机组成，负责感知、获取目标物的明暗、距离和颜色三种信息，进而识别目标物的形状、位置、姿态、色别特征参数；所述触觉子模块，通过触觉感知环境信息，以产生柔软、灵活、可靠的动作，从而完成复杂的作业，而且触觉本身可以配合或者在某些特定的条件下代替视觉识别物体；所述嗅觉子模块，感知周围环境的气味，使得可重构数字控制器工作于恶劣危险的工作环境中；所述接近觉子模块，感知周围环境与自身的距离；所述听觉子模块，感知周围环境的各种声音信息。5.根据权利要求l所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述交互接口模块，包括用户和可重构数字控制器之间的接口和可重构数字控制器内部各模块之间的接口，用户和可重构数字控制器之间的接口负责可重构数字控制器与用户的信息交互，可重构数字控制器内部各模块之间的接口负责其他可重构数字控制器之间进行文本信息、语音信息、图像信息、动画信息的交互，通过键盘输入、语音输入、机器视觉、虚拟现实手段交互沟通，确定各种参数，规划约束条件，分析和解决具体的问题。6.根据权利要求1或5所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述交互接口模块，包括如下子模块系统设置模块、系统初始化模块、参数和状态监控模块、显示模块、仿真模块、故障诊断模块、文件处理模块；所述系统初始化模块，系统开机进行初始化的时候，负责进行系统自诊断，査找配置的各种硬件设备，读取配置文件夹的配置文件，对系统进行初次配置，并将初次配置传输到系统设置模块；所述系统设置模块，负责由用户对各种信息进行理解设置、规划和设定控制策略、规定约束条件，在系统初始化模块里面，已经对系统的参数进行了初始的设置，如果系统初始化模块初次配置不符合要求，或者要求改变，用户通过系统设置模块进行参数设置，直接改变硬件配置参数，并且写入配置文件，作为下次启动时的默认配置，同时，提供给参数和状态监控模块必要的需显示及监控的信息；所述参数和状态监控模块，负责对已经由系统初始化模块对系统的参数进行初始设置，但初始设置不符合要求或者要求改变，进行参数的重新设置，并监控系统的状态信息；所述界面显示模块，根据系统设置模块里的设定来调用需要显示的界面元素，参数和状态监控模块取得这些需要显示的界面元素的实际数据，在界面上显示出来；所述仿真模块，负责利用计算机来模拟实际的执行过程，是验证执行模块的可靠性和预测执行过程的工具，同时，仿真模块还可在实际执行过程中进行实时仿真；所述故障诊断模块，负责对各个执行模块进行检测和调试，最终确定并解决问题；所述文件处理模块，负责信息的存储、提取和解释。7.根据权利要求l所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述中枢系统模块，负责实现整个可重构数字控制器系统的执行、感知、思维和交互四大机能所涉及的协调、信息处理、管理、反馈、监控功能，中枢系统模块包括可重构知识库子模块、环境理解子模块、意图理解子模块、状态机决策子模块，其中可重构知识库子模块是整个可重构数字控制器的核心，负责存储各种信息，信息包括控制算法信息、启发式搜索信息、推理规则信息、规划及策略信息，用户获取信息，信息经过整理通过人工移植方式输入可重构知识库子模块；环境理解子模块负责对信息感知模块所采集到的信息进行信息融合，并调用重构知识库子模块中相应类型的信息处理程式进行处理；意图理解子模块负责将环境理解子模块所处理的信息与交互接口模块获得的辅助信息相结合，调用可重构知识库子模块中相应信息，确定用户意图；状态机决策子模块，根据环境理解子模块处理好的结果及意图理解子模块得到的用户意图，进行状态判断，如果未满足状态改变要求，则继续通过信息感知模块进行信息采集，否则通过有限状态机确定具体的执行策略，最后调用相关状态下的执行模块，完成执行任务。8.根据权利要求l所述的可重构数字控制器的自治域系统，其特征是，所述执行模块负责对外界环境和对象进行作用，包括语音输出、改变力特征、温度调节控制、图片摄取、位姿状态改变。全文摘要一种数字控制
技术领域：
的可重构数字控制器的自治域系统，包括信息感知模块、交互接口模块、中枢系统模块和执行模块，信息感知模块负责接收温度、力、位姿、图像信息，并将该信息传输给中枢系统模块，交互接口模块负责获得用户辅助信息，并将用户辅助信息传输给中枢系统模块，中枢系统模块负责接收信息感知模块和交互接口模块传输的信息，运用已有的知识，对这些信息进行理解、确定执行目的，进行计算和处理，并根据确定的执行目的，决定具体的控制策略，将处理好的信息传递给执行模块；执行模块负责将接收到的处理后的信息执行作用到对象或环境上。本发明使得可重构数字控制器在硬件设计和软件设计上得到快速重构，大大节省开发与投产周期。文档编号G05B19/042GK101221420SQ20071017188公开日2008年7月16日申请日期2007年12月6日优先权日2007年12月6日发明者张衍均,徐文超,殷跃红,健陆,陈祥榴申请人:上海交通大学