【正文】 圖 311 基本行為組成 基本行為具有通用結(jié)構(gòu)，對(duì)源碼的實(shí)現(xiàn)方式幾乎沒有任何約束。 基本行為由一個(gè)觸發(fā)單元和控制單元（ 控制系統(tǒng)）組成，其中，控制單元用來將感知信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人所要執(zhí)行的控制命令，而觸發(fā)單元?jiǎng)t用來確定在什么情況下控制系統(tǒng)應(yīng)該為機(jī)器人的執(zhí)行器產(chǎn)生的指令輸出。 Behavior proximity_follow Rotation=w (2P1) Translation=c End proximity_follow 前進(jìn)速度 c和旋轉(zhuǎn)速度 w的同時(shí)設(shè)置將使機(jī)器人按照某條具有特定半徑的圓弧行駛，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑為一系列面向和背向墻壁的圓弧。 其中，傳感器應(yīng)該安裝在機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心的前面，并且與該中心保持一定的距離；如果傳感器位于機(jī)器人兩個(gè)輪子的軸線上，它所測(cè)量的距離有時(shí)不能用來確定機(jī) 器人的旋轉(zhuǎn)方向。下述用偽代碼實(shí)現(xiàn)這一行為： 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17 頁 Behavior bump_follow If (test_spin (A) ) then Rotation=w Translation=0 Else if (L or R) then Set_spin(A,Oc) Else Rotation=w Translation=c End if End bump_follow 行為 bump_follow 能夠使機(jī)器人比較準(zhǔn)確的沿墻或者某個(gè)剛性物體行駛，但是行駛速度較低，智能性較低，傳感器容易損壞。實(shí)現(xiàn) 這種行為的關(guān)鍵一點(diǎn)就是方向?qū)?zhǔn)問題。 2) 邊緣行走行為 邊緣行走行為能夠幫助機(jī)器人在障礙物之間搜索路徑。 在狀態(tài)控制器中還需引入重要的環(huán)節(jié) —— 磁滯環(huán)節(jié)，使得當(dāng)系統(tǒng)變量低于某個(gè)值改變狀態(tài)，高于某個(gè)值改變狀態(tài)。如果 R比較小，機(jī)器鼠能夠根據(jù)墻壁的狀態(tài)變化坐車快速反應(yīng)，然而如果系統(tǒng)延遲特別大的話，機(jī)器鼠在運(yùn)行 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁 過程中可能做出比較激烈的左右搖擺。大的延遲會(huì)導(dǎo)致機(jī)器鼠的行走路徑由一系列大曲率的圓弧組成；小延遲能夠使機(jī)器鼠的行走路徑近似 直線 ，幾乎觀察不到機(jī)器鼠有任何的方向矯正動(dòng)作。 狀態(tài)控制器針對(duì)小車沿墻行走具有較高效的控制，如下圖所示，在沿墻行走中，機(jī)器鼠試圖在自己的右側(cè)檢測(cè)墻的位置，并據(jù)此確定自己的動(dòng)作，最終達(dá)到沿墻行走的效果。采用這種閉環(huán)控制的比例控制器，即使在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，也能使機(jī)器人以接近于期望速度值的速度運(yùn)行。 通過在開環(huán)控制器中增加一些輔助性元件和更加復(fù)雜的環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋 信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào) 相反 ，則稱為負(fù)反饋 ( Negative Feedback)，若極性相同，則 稱 為 正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。速度選擇器用來為機(jī)器人輸入期望速度 Vd，信號(hào)變換器用來將速度選擇器的輸入信號(hào)調(diào)整，產(chǎn)生適用于傳動(dòng)系統(tǒng)的速度命令 Vc。同 閉環(huán)控制系統(tǒng) 相比，開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多，同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，不存在由輸出端到輸入端的反饋通路（見 反饋控制系統(tǒng) ）。機(jī)器人通過由軟件或者硬件構(gòu)造的控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?；谛袨榈臋C(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要特征： 復(fù)雜行為可以由比較簡(jiǎn)單的行為相互組合和實(shí)現(xiàn) [41]。走法示意如 圖 33： 圖 33 迷宮走法示意 為研究使用，綜合考慮迷宮通道情況，將迷宮簡(jiǎn)化為一段 L型通道。把從 起點(diǎn)到終點(diǎn)用最短時(shí)間行走的紀(jì)錄作為這個(gè)機(jī)器人的記錄。（ 微型鼠競(jìng)賽如照片所示，項(xiàng)目為迷宮探路，從起點(diǎn)到終點(diǎn)以最短的路線、最短時(shí)間到達(dá)者為優(yōu)勝。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 圖 23 Roomba 公司生產(chǎn)的清潔機(jī)器人 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁 第 3 章 自主式小型移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù)及方案分析 微型鼠競(jìng)賽介紹 微型鼠競(jìng)賽大會(huì)自 1977 年 5 月 IEEE 的《光譜》（ Spectrum）雜志上載文倡議以來，在世界各國(guó)相繼開展起來。此算法能夠快速、準(zhǔn)確的得出未知物體的形狀。 障礙物識(shí)別。當(dāng)障礙物的距離在緊急距離之內(nèi)時(shí)候，機(jī)器人就立即停止。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)行為的功能比較簡(jiǎn)單，因而可以通過簡(jiǎn)單的傳感器及其快速信息處理過程獲得比較好的運(yùn)行效果。索杰納所采用路徑規(guī)劃方法就是 D 算法，它使索杰納能在火星表面自如而謹(jǐn)慎地行走，且能自主判斷出前進(jìn)道路上的障礙物，并通過實(shí)時(shí)重規(guī)劃來作出后面行動(dòng)的決策，真正做到了“三思而后行”。啟發(fā)式方 法的最初代表是 A 算法而其新發(fā)展是 D 和 Focussed D 這兩種由 Stentz A 提出的增量式圖搜索算法 (又稱作 Dynamic A*算法 )的產(chǎn)生。 Koeing S等提出了增量式的 D Lite 算法，該方法利用啟發(fā)式策略搜索一條從目標(biāo)點(diǎn)指向機(jī)器人當(dāng)前位置的路徑，并在機(jī)器人向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)局部環(huán)境的更新信息來實(shí)時(shí)重規(guī)劃路徑，由此得出一條最優(yōu)路徑。懲罰函數(shù)法將路徑規(guī)劃這個(gè)有約束的問題 (受到障礙物的限制 )轉(zhuǎn)化為一個(gè)無約束最優(yōu)化問題，再求解就可得出解答。 基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法根據(jù)掌握環(huán)境信息的完整程度可以細(xì)分為環(huán)境信息完全已知的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。在很多時(shí)候由于移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境具有不確定性 (包括非結(jié)構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性等 )，使得移動(dòng)機(jī)器人無法建立全局環(huán)境模型，而只能根據(jù)傳感器信息實(shí)時(shí)地建立局部環(huán)境模型，因此局部模型的實(shí)時(shí)性、可靠性成為影響移動(dòng)機(jī)器人是否可以安全、連續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。 Marefat M 把基于事例的方法作為一個(gè)特征輔助規(guī)劃與 全局規(guī)劃結(jié)合從而提高了全局規(guī)劃的效率。將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃中可以描述為：首先，利用路徑規(guī)劃所用到的或已產(chǎn)生的信息建立一個(gè)事例庫，庫中的任一事例包含每一次規(guī)劃時(shí)的環(huán)境信息 和路徑信息，這些事例可以通過特定的索引取得；隨后，將由當(dāng)前規(guī)劃任務(wù)和環(huán)境信息產(chǎn)生的事例與事例庫中的事例進(jìn)行匹配，以尋找出一個(gè)最優(yōu)匹配事例，然后對(duì)該事例進(jìn)行修正，并以此作為最后的結(jié)果。所謂路徑規(guī)劃是指移動(dòng)機(jī)器人按照某一性能指標(biāo) (如距離、時(shí)間、能量等 )搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑。輪子適于平坦的路面，足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。 移動(dòng)機(jī)器人隨其應(yīng)用環(huán)境和移動(dòng)方式的不同，研究?jī)?nèi)容也有很大差別。美國(guó)“探測(cè)者” 3 號(hào) ,其操作器在地面的遙控下，完成了在月球上挖溝和執(zhí)行其他任務(wù)。機(jī)器人被廣泛地用于制造業(yè)，而且，在強(qiáng)調(diào)最小維護(hù)需求的空間探索中，使用機(jī)器人更具有吸引力。此外，對(duì)感知和適應(yīng)一個(gè)部分未知的環(huán)境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。 在制造業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人的開發(fā)集中在執(zhí)行制造過程的工程機(jī)器人手臂上。 ? 根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的情況處理傳感輸入，并按照情況指示系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的系統(tǒng)。” [43] 機(jī)器人能力的 評(píng)價(jià) 標(biāo)準(zhǔn)包括：智能，感覺和感知，包括 記憶 、 運(yùn)算 、 比較 、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和 邏輯推理 等；機(jī)能，指變通性、通用性或空間占有性等；物理能，指力、速度、連續(xù)運(yùn)行能力、 可靠性 、聯(lián)用性、 壽命 等。因此，很多日本人概念中的機(jī)器人，并不是歐美人所定義的。這個(gè)詞是由劇作家 Karel Capek 引入的，他虛構(gòu)創(chuàng)作的機(jī)器人很像 Frankenstein 博士的怪物 － 由化學(xué)和生物學(xué)方法而不是機(jī)械方法創(chuàng)造的生物。Path planning。 圖 2 機(jī)器鼠傳感器布置 行為的設(shè)計(jì)與機(jī)器人的能力密切相關(guān) ， 機(jī)器人的硬件限制了機(jī)器人的某些行為的能力 ， 根據(jù) 機(jī)器鼠 的 比賽任務(wù) ， 對(duì) 機(jī)器鼠 的 行為中作如 圖 3分解。通過對(duì)機(jī)器鼠 所 運(yùn)行 的 環(huán)境建模，根據(jù)基于行為的方法對(duì)機(jī)器鼠的執(zhí)行任務(wù)、沿墻行走、判斷障 礙旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分解構(gòu)建，以及對(duì)機(jī)器鼠傳感器布置及機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行 理論 分析。分布式自組織并行工作 ,可靠性強(qiáng)。價(jià)格是傳統(tǒng)的十幾分之一。 可以承受局部損壞。 基于行為的機(jī)器人學(xué)反對(duì)抽象的定義 , 因此采用場(chǎng)景化、具體化的解釋更適合該領(lǐng)域的哲學(xué)思想 。 基于行為的方法 是 由 MIT的 Brooks在他著名的包容式結(jié)構(gòu) [42]中建立，它是一門從生物系統(tǒng) 得 到啟發(fā)而產(chǎn)生的用來設(shè)計(jì)自主機(jī)器人的技術(shù)， 也是本文所重點(diǎn)研究的目標(biāo)。移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中常用來完成運(yùn)輸和上下料等任務(wù)，同時(shí)也被廣泛用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等不同行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)吸塵機(jī)器人的研究，僅處于剛起步階段，國(guó)內(nèi)還沒有此類產(chǎn)品推出， 如果能夠繼續(xù) 改進(jìn)，會(huì)具有很大的市場(chǎng)潛力，并且 具有一定 的學(xué)術(shù)價(jià)值。 基于行為的 方法在中智能家庭等商業(yè)領(lǐng)域受到了許多研究人員的青睞， IRobot公司成功地研制出 Roomba 家庭式自動(dòng)地板吸塵除菌機(jī)器人，將基于行為的思想引入機(jī)器人的作業(yè)規(guī)劃中，提高了規(guī)劃的效率和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度，具有良好的應(yīng)用前景。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的 復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 第 Ⅲ 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 班 級(jí) 20xx 級(jí)機(jī)械一班 學(xué)生姓名 謝群 學(xué) 號(hào) 20xx0718 發(fā)題日期： 20xx 年 月 日 完成日期： 20xx 年 月 日 題 目 基于行為設(shè)計(jì)的自主式小型移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究 本論文的目的、意義 本篇論文主要介紹 了我 獨(dú)立 設(shè)計(jì) 并 制作的 基于行為設(shè)計(jì)的 機(jī)器鼠 ，這個(gè)機(jī)器鼠的設(shè)計(jì)制作的主要目的是對(duì)基于行為的機(jī)器人算法的驗(yàn)證和試驗(yàn)。在機(jī)器鼠控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種 吸塵機(jī)器人 機(jī)械底盤設(shè)計(jì)方案，結(jié)合控制系統(tǒng)初步可以完成室內(nèi)吸塵任務(wù)的要求： 能夠按照預(yù)先設(shè)定的算法，自動(dòng)按照一定的路徑行駛，行駛過程中可以自動(dòng)的識(shí)別并繞開障礙物，達(dá)到對(duì)房間進(jìn)行無人自動(dòng)吸塵的目的。 學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) 機(jī)器 鼠 的 總體設(shè)計(jì)、路徑 設(shè)計(jì) 及機(jī)器鼠 的總調(diào)試 機(jī)器鼠的機(jī)械部分 設(shè)計(jì) 并加工組裝 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板的設(shè)計(jì)、調(diào)試 51 單片機(jī) 控制 系統(tǒng)的硬件接線及軟件程序 設(shè)計(jì) 、調(diào)試 51 單片機(jī) 控制流程 圖 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電路圖 一種自動(dòng)吸塵機(jī)器人的機(jī)械底盤設(shè)計(jì)建模，運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論 文 ) 第 Ⅲ 頁