【正文】 mobile robot； LRF； VFH 。 承諾人（簽名）： 年 月 日 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 摘 要 【 摘要 】 移動(dòng)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)加工制造中，尤其在危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境中可以用機(jī)器人代替人工操作減少損失。 避障 技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，避障方法有很多種，本文是基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法。 differential drive。日本早稻田大學(xué) 于 70 年代初期 開(kāi)發(fā)出和人類(lèi)相似的 兩足 行走 機(jī)器人。 避障在移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展中起著舉足輕 重的作用。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 本課題的主要任務(wù)與目標(biāo)是在 Robotic Studio 仿真系統(tǒng)中建立差分驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的仿真環(huán)境，根據(jù)激光測(cè)距儀的障礙物距離信息，使用向量場(chǎng)直方圖法（ VFH）設(shè)計(jì)合適的機(jī)器人避障方法，使移動(dòng)機(jī)器人能夠無(wú)碰撞地通過(guò)障礙區(qū)。 兩種角度 范圍 模式可供選擇，長(zhǎng) 度誤差小于 10 mm ， 角度誤差小于 0. 5176。在激光傳感器工作的范圍內(nèi)，發(fā)射一個(gè)激光脈沖并且被物體的表面反射回來(lái)，通過(guò)這個(gè)激光脈沖從發(fā)射出去到接受之后所消耗的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體和 LMS 之間的距離。的扇形區(qū)域 圖 22 LMS 工作原理 向量場(chǎng)直方圖法 向量場(chǎng)直方圖法（ vector field histogram,VFH）是由 Borenstein 和 Koren 一起創(chuàng)造出來(lái)的 ， 向量場(chǎng)直方圖法 的關(guān)鍵是 在傳感器的周?chē)⒁粋€(gè) 圖形 ， 這樣可以避免由于傳感器所獲得數(shù)據(jù)暫時(shí)延遲而或丟失可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤。首先確定出移動(dòng)機(jī)器人可以安全避開(kāi)障礙物所有路徑范圍，再在這些范圍內(nèi)選擇損耗最低的路徑，即最優(yōu)路徑。當(dāng)給定值太小時(shí)移動(dòng)機(jī)器人有時(shí)會(huì)丟棄可以安全通過(guò)的路徑而最終進(jìn)入死角，如圖 25 所示。則 移動(dòng) 機(jī)器人的總速度 如式 23： 1 12, , , ,xy f l r? ? ? ???????? ???????? ???????? （ 23） 圖 2— 6 差 分 動(dòng)驅(qū)動(dòng)的 移動(dòng) 機(jī)器人 Microsoft Robotics Developer Studio 微軟開(kāi)發(fā)出來(lái)的 Microsoft Robotics Developer Studio(MRDS)是用來(lái)為市場(chǎng)上已經(jīng)存在的或是即將開(kāi)發(fā)出的機(jī)器人建立軟件的軟件開(kāi)發(fā)工具包， 如果你已經(jīng)有一個(gè)機(jī)器人了，可以直接用 MSRS 進(jìn)行控制，如果沒(méi)有的話，也不用擔(dān)心，因?yàn)?MSRS 為虛擬機(jī)器人提供了一個(gè)成熟的三維仿真環(huán)境，當(dāng)你下載到免費(fèi)的 SDK 幾分鐘后就可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人了。它們都是控制庫(kù)，所以運(yùn)行在這些環(huán)境中的機(jī)器人服務(wù)也是通過(guò)控制代碼實(shí)現(xiàn)的。 首先通過(guò) 激光測(cè)距儀所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算 確定 機(jī)器人可以安全通過(guò)的 一些 范圍，然后通過(guò)算法在這些可以通過(guò)的給定值中選擇最優(yōu)給定值， 使得機(jī)器人可以快速安全通過(guò)障礙物。 求機(jī)器人可以安全通過(guò)的所有范圍 步驟 1： 將 激光測(cè)距儀 LMS200 的 180176。 步驟 2：確定每個(gè)扇形的最小掃描距離 Lmmin，并且用該值與給定值 Rg 進(jìn)行比較，如果該扇形區(qū)域 Gg ? Lmmin，那么該扇形是預(yù)備的扇形區(qū)域。 即只需要 g ? m 即滿(mǎn)足了邊長(zhǎng)約束條件。 13d +d =B （ 33） 24d +d =A （ 34） 圖 32 確定是否滿(mǎn)足長(zhǎng)方形約束條件 其中 A、 B 分別是長(zhǎng)方形的寬和長(zhǎng)，只有同時(shí)滿(mǎn)足了式 33 和式 34 才滿(mǎn)足長(zhǎng)方形的約束條件 如果同時(shí)符合步驟 4 中①、②的待判斷區(qū)域是安 全區(qū)域，機(jī)器人可以避開(kāi)障礙物而安全通過(guò)， 此待判斷扇形區(qū)的角平分線 叫做 可安全行駛的路徑方向。和 110176。接下來(lái)將計(jì)算出自動(dòng)改變給定值的計(jì)算方法。如果兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足，那么這個(gè)給定值就是有效的保留起來(lái)，否則該給定值就是無(wú)效 的直接丟棄。 j tar| |? ? ?? （ 39） 其中 ? 是先前確定的固定值，本課題中是 4? ， tar? 是移動(dòng)機(jī)器人與目標(biāo)之間的角度。 線 速度表達(dá)式為： m a x= y +??? ? ? （ 311） 其中 ?? 為： m a x m in= ( ) /y m?? ? ? （ 312） 其中 max? 是機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的最大線速度 ，取值為 ， min? 機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的最小線速度。 K1 與K2 之和為 1 并且 K1 大于 K2，表 示機(jī)器人的行走方向與目標(biāo)方向之間的差距比最優(yōu)給定值的優(yōu)先權(quán)要高， 這樣可以保證機(jī)器人更快 的避開(kāi)障礙物 ，本課題中 K1 取值為 ， K2 取值為 。添加缺省場(chǎng)景。 成功 添加機(jī)器人后為圖 42 圖 42 成功添加機(jī)器人 步驟 修飾機(jī)器人 在圖 42 的 左側(cè)編輯欄中，選擇 Motor Base with Drive 點(diǎn)擊“ Edit Entity”出現(xiàn)編輯窗口 如圖 43所示，在圖 43 中找 到 EntityState，點(diǎn)擊右端的選擇按鈕會(huì)出現(xiàn)圖 44 然后修改本體的名稱(chēng)和式樣。按照同樣的方法修飾右輪。 圖 47 最終場(chǎng)景 4． 2 編寫(xiě)仿真程序 新建 DSS 項(xiàng)目 在 Visual C 20xx 里，新建一個(gè)項(xiàng)目 ,如圖 48 所示，選擇 Microsoft Robotics 的 DSS Service 模板 圖 48 新建 DSS Service 項(xiàng)目 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 點(diǎn)擊“確定”后，出現(xiàn)如下選項(xiàng)： 圖 49 選擇 Partner 總共需要添加 3 個(gè) Partner： Simulation Engine， Simulated Generic Differential Driver， Simulated Laser Range Finder。 } else return false。 該句啟動(dòng)一個(gè)延時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)經(jīng)過(guò) 600 毫秒后，就往 _dateTimePort 發(fā)送一個(gè)消息。 ()。 }))。 (+,++,+respons +, + ) 。 } 使用該段程序之前需添加引用 using 。 以下是 獲得機(jī)器人位置的函數(shù) GetEntityState()程序 。 var stateOrFault = (tmp)。 } } 上面一段程序同時(shí)可以更新 中定義的窗口 ，將所獲的當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示在 _laserDataForm 中。 = 。 if (()) return 0。然后在左邊現(xiàn)有的服務(wù)欄中，我們可以找到控制程序編譯成功后的服務(wù) Example3，把它拖到 Maifest欄中，選中 Example3，為每個(gè)消息端口選擇對(duì)應(yīng)的 Partner： 選擇 Partner 如圖 4— 12 所示。最終在 Robotic Studio仿真系統(tǒng)中建立差分驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的仿真環(huán)境，根據(jù)激光測(cè)距儀的障礙物距離信息，使移動(dòng)機(jī)器人能夠無(wú)碰撞地通過(guò)障礙區(qū)。 。 在此，我還要感謝 我的 同學(xué)和朋友 們 ，感謝你們?cè)谖矣龅嚼щy的時(shí)候幫助我 ，給我支持和鼓勵(lì)，感謝你們。 機(jī)器人在場(chǎng)景中的運(yùn)行結(jié)果如圖 413 所示 圖 413 機(jī)器人在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng) 其中激光數(shù)據(jù)在窗口中的顯示為圖 414： 圖 414 窗口顯示 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 5 結(jié)論 本課題是在向量場(chǎng)直方圖法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法的修改，客服了 VFH 方法的的缺點(diǎn)，即當(dāng)給定值太大或是太小時(shí)機(jī)器人都可能無(wú)法成功避開(kāi)障礙物的缺陷。 return 。 = 。 q1 = new ()。 if (!HasError(stateOrFault)) { response = ()stateOrFault。 = new ()。 控制算法 （ 1） 獲得 機(jī)器人位置 信息 在 3中基于 VFH的移動(dòng)機(jī)器人避障算法中需得到移動(dòng)機(jī)器人的 X軸與目標(biāo)之間的夾角 tar? ，而目標(biāo)信息是給定的，此 時(shí) 需要 獲得機(jī)器人 的 位置 信息 。 } catch (Exception g) { (Exception: + )。