【正文】 22lrll??????? ?????? ???? （ 315） 4 仿真實(shí)現(xiàn) 創(chuàng)建場(chǎng)景 步驟 添加場(chǎng)景和機(jī)器人 打開 Microsoft Visual Simulation Environment 20xx ， 模式設(shè)置為編輯狀態(tài)?？刂平撬俣鹊谋磉_(dá)式為式 38： go=2? ?? ? ???????? （ 310） 其中 ?? 為比例系數(shù)，取值為 . 注：由 2 確定的最優(yōu)給定值 Gb 可能對(duì)應(yīng)多個(gè)安全路徑方向，其中選取中心角對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)最大的那個(gè)方向?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人的最終行走方向。 ②：由上部分中所獲得的 Gj（ 其中 j=1,2,3， … ，），用 2 中的方法判斷移動(dòng)機(jī)器人是否能夠成功避開障礙物。但此時(shí)所獲得的范圍無法滿足步驟 4 中②的長(zhǎng)方形約束條件，所以這兩個(gè)給定值都是不合理的，移動(dòng)機(jī)器人無法成功避開障礙物。若 nf表示并接的第一個(gè)扇形， nl 表示并接的最后一個(gè)扇形， ? d 表示待判斷大扇形的角平分線與 移動(dòng)機(jī)器人的坐標(biāo)軸的 x 軸的夾角，那么 Qd 可表示為一個(gè)矩陣 ： ? ?fld d d d dn n GQ ?? （ 31） 由幾何知識(shí)易得 ? d： ? ?d1 2 . 52 1 8 0flddnn ?? ? ? ? ???? （ 32） 步驟 4:在對(duì)待判斷大扇形區(qū)域 Sd 進(jìn)行判斷選擇，若滿足以下條件，那么該區(qū)域可保證機(jī)器人能夠安全通過，此區(qū)域保留，否則丟棄。通過 激光測(cè)距儀所 獲得的數(shù)據(jù)，來求可以安全通過的所有范圍，即同時(shí)滿足邊長(zhǎng)條件和長(zhǎng)方形條件的范圍都是可 以安全通過的范圍，若不滿足則激光傳感器需重新采集下一組數(shù)據(jù)。 MSRS 還包含一個(gè)成熟的 實(shí)時(shí) 運(yùn)行環(huán)境，用來編寫強(qiáng)大的異步式和分布式應(yīng)用程序很容易。 其中向量場(chǎng)直方圖法存在某些缺陷，在不同的環(huán)境下，對(duì)于同一個(gè)給定值可能 使得機(jī)器人無法安全避開障礙物，給定值太大或是太小都會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 t: 激光脈沖往返的時(shí)間 獲得從物體表面反射回來的激光脈沖后，激光脈沖經(jīng)過一個(gè)旋轉(zhuǎn)的鏡子進(jìn)行反射，形成了一個(gè)100176。它的最小測(cè)量距離是 0m， 最大 測(cè)量距離是 80 m ， 有 100176。在人們的日常生活中，機(jī)器人也開始得到使用并引起人們的高度關(guān)注。并在 Robotic Studio 仿真系統(tǒng)中建立場(chǎng)景和編程 來實(shí)現(xiàn) 。由于傳統(tǒng)的向量場(chǎng)直方圖法在 給定值 太 大或 太 小時(shí)都無法安全避障，本文在此基礎(chǔ)上，利用激光測(cè)距儀所或得的數(shù)據(jù)首先確定一個(gè)可以安全行駛的范圍，然后通過算法自動(dòng) 的改變給定值的大小，最終選擇最優(yōu)給定值，通過差分驅(qū)動(dòng)控制使機(jī)器人安全避障 。 隨著 原子能利用和海洋開發(fā)的 發(fā)展 ， 極限作業(yè)機(jī)器人 和 水下 機(jī)器 人 也 得到了迅速發(fā)展。 主要任務(wù)和目標(biāo) ： 學(xué)習(xí)和了解 Robotic Studio 仿真系統(tǒng)，掌握建立機(jī)器人仿真環(huán)境和編程控制機(jī)器人的基本方法； 學(xué)習(xí)和了解差分驅(qū)動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)控制方式； 學(xué)習(xí)和了解激光傳感器的工作原理和方式，能夠根據(jù)激光數(shù)據(jù)獲取周邊障礙物的距離信息； 學(xué)習(xí)和掌握向量場(chǎng)直方圖法（ VFH），設(shè)計(jì)合理的避障控制算法； 根據(jù)激光傳感器檢測(cè)到的距離信息，在仿真系統(tǒng)中編程實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人無碰撞地通過障礙區(qū) 2 移動(dòng)機(jī)器人避障的基本原理 2． 1 激光測(cè)距儀 LMS 200 基本工作原理 LMS200 實(shí)物如圖 21，它 采用紅外線激光光束 ， 優(yōu)點(diǎn)是 不需要接觸被測(cè)量物體的表面并且物體的 形狀和顏色都沒有要求 ， 不需要反射片 或是 另一接收器 而可以直接接收反射回來的信號(hào) 。 = /2Lct （ 21） L:物體與傳感器間的距離； c：光速 。損耗函數(shù) L 可以表示為： k + u + wt a r w h e e l b e fL ? ? ?? ? ? ? (22) 其中， tar? 表示目的角度； wheel? 表示輪子角度； bef? 表示原來角度 k、 u、 w 為比例系數(shù) ， 損耗最小的就是最優(yōu)路徑 ，調(diào)整這些系數(shù)可以改變移動(dòng)機(jī)器人的避障效果。 它的最大好處 就是對(duì)個(gè)人、學(xué)?；蛘唛_發(fā)商都是免費(fèi)的。 算法流程圖 :圖 31 算法流程圖 圖 31 為基于 VFH 算法改進(jìn)的算法流程圖。 圖 32 確定機(jī)器人可以安全通過的路徑方向 步驟 3：在步驟 2 中得到的所有預(yù)備扇形區(qū)域中，將所有連接在一起的并接成一個(gè) 待判斷的大扇形區(qū)域，該待判斷的大扇形區(qū)域表示為 Qd， d 為 1， 2， … ， Td（其中 Td 表示待判斷大扇形區(qū)域基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 的個(gè)數(shù)且 Td? 72） 。 移動(dòng)機(jī)器人角速度 和線速度 確定給定值的原則 在 2 中對(duì)于某個(gè)確定的給定值 G，可以求得移動(dòng)機(jī)器人安全避開障礙物的路徑方向，圖 33是給定值 G 不同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人所或得的安全避開障礙物的路徑方向圖， 圖 331 和圖 332 分別是給定值為 3 和 4 的時(shí)候，此時(shí)所獲得的路徑方向角度全都超過 90176。 ①：假定給定值值 G 的最大值 Gmax： m ax = GGG??（ U 1 ） （ 35） 所有可能的給定值為 Gj： ? ?j0= { j |j = 0 , 1 . . . U 1 1 }GG G G? ? ? ， ， （ 36） 其中 G0 為最小的給定值 ： 0 0 0G K S?? （ 37） K0 是一比例系數(shù)， S0 表示移動(dòng)機(jī)器人從最大的速度開始到停止是所運(yùn)行的距離 : 2max0 2VS a?? （ 38） 本課題中 移動(dòng)機(jī)器人的最大速度 Vmax為 ，減速的加速度 a 為 1， G0 確定為 1， G? 是固定變化量 且 取值為 ， UG 的值選為 41，則容易得到 Gmax為 4。 角速度控制 由 2 的③ 可得最優(yōu)給定值， Gb 對(duì)應(yīng)的安全路徑方就是機(jī)器人的最終行走方向，用 go? 表示。 差分驅(qū)動(dòng)控制 根據(jù)差分驅(qū)動(dòng)控制原理我們可以得到機(jī)器人的角速度、線速度與左右輪的關(guān)系如式 314： 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 2lrrll???????? ???? ?? ??? （ 314） 其中 l? 和 r? 分別是左輪和右輪的速度， l 表示輪子間的 距離， ? 表示機(jī)器人的線速度， ? 表示機(jī)器人的角速度。 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 圖 43 修飾機(jī)器人 圖 44 修改機(jī)器人名字和式樣 這里我們把 Name 改成“ P3DX”。 獲取 LRF 數(shù)據(jù) 獲取激光數(shù)據(jù)的思路為圖 410 所示： 圖 410 LRF 獲取數(shù)據(jù) 首先使用 get 函數(shù)給機(jī)器人人發(fā)送消息，然后接下來判斷數(shù)據(jù)是否錯(cuò)誤，如果數(shù)據(jù)正確的話則將數(shù)據(jù)保存在 sensorState 的 DistanceMeasurements 屬性中，程序?yàn)? sensorState = ()sensorOrFault 判斷數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋? bool HasErrorT(PortSetT, Fault sensorOrFault) { Fault fault = (Fault)sensorOrFault。 在 窗口 和 txt 文本 中顯示 （ 1） 在窗口中顯示 LRF 數(shù)據(jù) 為了能夠在窗口中更直觀的觀察激光傳感器所獲得的數(shù)據(jù)，首先 在 Example3 項(xiàng)目中添加一個(gè)名為 LaserData 窗體，再在該窗體中添加一個(gè)名為 pictureBoxLaser 的 PictureBox 控件， 為了能夠更新 pictureBoxLaser 控件，在窗體中新增一個(gè)方法 UpdateLaserData 由于獲取傳感器數(shù)據(jù)是在 Example3Service 類中，需要在 Example3Service 類中能夠調(diào)用該窗體的 UpdateLaserData 方法。 這樣，當(dāng)每次獲得激光傳感器數(shù)據(jù)后，就會(huì)更新窗體中的 pictureBoxLaser 控件了。 該段程序可以將機(jī)器人 P3DX 的線速度和角速度寫在 D 盤下的名為 textbook 的 txt 文件中。 基于向量場(chǎng)直方圖的移動(dòng)機(jī)器人避障方法研究 yield return ()。 = 。 圖 4— 12 選擇 Partner 到現(xiàn)在為止場(chǎng)景環(huán)境與編寫的程序已建立起關(guān)系，接下來運(yùn)行即可， 在菜單項(xiàng)中選擇 Run Run Manifest 或者按 F5 開始運(yùn)行仿真程序