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(guò)程包括（假定硬件已經(jīng)一切就緒）:
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
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(kāi)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(shuō)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(kāi)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(kāi)發(fā)伊始，架構(gòu)問(wèn)題就與之相伴而生。早在1996年，Garlan和Shaw在《軟件架構(gòu)：一門(mén)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(guò)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(kāi)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(guò)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。基于行為機(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(guò)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(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)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(xiě)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(wèn)題。
