【正文】 2）位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng),步距誤差不長期積累,可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。各種行為都可能競相使用機器人的某種功能[5]。這種碰撞力士在機器人驅(qū)動輪輸出傳動力矩的作用下產(chǎn)生的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。有些材料在不同路面上使用時性能的差別很大,一定要仔細(xì)選擇。而類似割草機的車輪,不管是實心的還是充氣的,在機器人的重量接近40磅的場合都可以成為選擇的方案。電機和驅(qū)動輪是通過一個支架與機器人底盤連接的，這時需要在支架與底盤之間塞人厚度合適的墊片調(diào)整有問題的驅(qū)動輪。選擇機器人上的任何一點作為局部坐標(biāo)系統(tǒng)的原點。然而，這種裝置很容易在施加到輪1的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此，對負(fù)載有一定限制。在圖中，旋轉(zhuǎn)啟動和旋轉(zhuǎn)方向被相互獨立的利用兩個FSM實現(xiàn)，每個FSM都只有兩個狀態(tài)：前端傳感器檢測障礙情況，和側(cè)向傳感器檢測障礙情況。對于行為的描述通?？梢苑譃椋核欧袨楹蛷椀朗叫袨?。l 基于測距傳感器的沿墻行走行為橫向安裝的測距傳感器能夠使機器人比較可靠的沿墻行走，如圖39所示。圖38 機器鼠沿墻行走示意在(a)中，機器鼠檢測到在其附近有墻存在，機器鼠就會沿原點位于自己左側(cè)的半徑為R的圓弧向遠(yuǎn)離墻壁的左前方行駛。閉環(huán)控制器通過減小期望速度Vd和測量速度Vm之間的差值調(diào)整速度控制命令Vc。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱為無反饋控制系統(tǒng)。另外，機器人必須是自律的，行走過程中不能用手接觸，和外界的通信。當(dāng)機器人探測到前方有未知物體，執(zhí)行未知障礙物檢測行為。D 算法可以理解為動態(tài)的Dijkstra(最短路徑)算法，而Focussed D 算法則利用了A 算法的主要優(yōu)點即使用啟發(fā)式估價函數(shù)，兩種方法都能根據(jù)機器人在移動中探測到的新的環(huán)境信息快速地修正和重規(guī)劃出最優(yōu)路徑，減少了局部規(guī)劃的時間，對于在線的實時路徑規(guī)劃有很好的效果。環(huán)境建模的方法基本上可以分為兩類：網(wǎng)絡(luò)／圖建模方法、基于網(wǎng)格的建模方法。移動機器人的控制方式從遙控、監(jiān)控向自治控制發(fā)展，綜合應(yīng)用機器視覺、問題求解、專家系統(tǒng)等人工智能等技術(shù)研制自治型移動機器人。從軍事科技和空間探索到健康產(chǎn)業(yè)和商業(yè)，使用機器人的優(yōu)勢已經(jīng)被認(rèn)識到了這種程度：它們正在成為我們集體經(jīng)驗和日常生活的一部分，能把我們從危險和枯燥中解脫出來[7]：l 安全：機器人技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)用于處理核能和放射性化學(xué)制品的很多不同用途，包括核武器、電廠、環(huán)境清潔和某些藥品的處理。 現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。本文所研究的自主式微小型移動機器人個體是自行搭建的機器鼠實物平臺, 它由兩步進(jìn)電機驅(qū)動, 其外形如圖1所示?；谛袨榈臋C器人學(xué)的重要研究內(nèi)容是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而不是算法, 基于行為設(shè)計的機器人在非結(jié)構(gòu)化動態(tài)環(huán)境中的性能非常優(yōu)越，用基于符號的機器人學(xué)設(shè)計的類似的機器人無法達(dá)到如下性能:a. 高速度,高靈活性。在機器鼠設(shè)計過程中，依照基于行為的設(shè)計方法，對機器鼠的環(huán)境、行為和執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行分析和重構(gòu)，以此對傳感器的布局，機械結(jié)構(gòu)和程序流程進(jìn)行了理論分析設(shè)計。在周倫老師的支持和指導(dǎo)下，完成了實物制作（包括電路板設(shè)計制作和機械加工）。在動態(tài)復(fù)雜環(huán)境中的移動速度很快。在機器鼠正向和側(cè)向共有3個漫反射式紅外線光電傳感器, 距離為10cm～ 20cm ,兩個碰撞開關(guān)，傳感器位置布置如圖2所示，當(dāng)傳感器前方有障礙物時, 傳感器的輸出為1, 否則為0。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。 l 不愉快的事：機器人執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務(wù)，如焊接和看門工作。 圖12 火星探索車移動機器人除用于宇宙探測、海洋開發(fā)和原子能等領(lǐng)域外，在工廠自動化、建筑、采礦、排險、軍事、服務(wù)、農(nóng)業(yè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。前者主要包括自由空間法、頂點圖像法、廣義錐法等，利用它們在進(jìn)行路徑規(guī)劃時可得到比較精確的解，但所耗費的計算量相當(dāng)大，不適合于實際的應(yīng)用。此外，還出現(xiàn)了一些基于A 的改進(jìn)算法，它們一般都是通過修改A 算法中的估價函數(shù)和圖搜索方向而實現(xiàn)的，可以較大地提高路徑規(guī)劃的速度，具有一定的復(fù)雜環(huán)境自適應(yīng)能力[25]。此時按順時針方向圍繞此未知物體進(jìn)行探測，直到回到初始點。當(dāng)機器鼠開始行走的時候，不能給它傳送迷宮信息[43]。開環(huán)控制系統(tǒng)由控制器與被控對象組成。期望速度和測量速度的差值為誤差信號Ve。當(dāng)機器鼠離墻太遠(yuǎn)，就會如(b)所示，傳感器檢測不到墻壁的位置，機器鼠會重新向墻靠近，這時，機器鼠的行走軌跡是原點位于自己右側(cè)的半徑為R的圓弧。圖39 測距傳感器保持距離維持墻壁和傳感器之間的距離為一固定常數(shù)：當(dāng)二者之間的距離偏小時，機器人向遠(yuǎn)離墻壁的方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)距離偏大時，機器人向靠近墻壁的方向旋轉(zhuǎn)。伺服行為采用反饋控制環(huán)作為控制單元，當(dāng)需要控制機器鼠驅(qū)動電機的行為，只需要根據(jù)相關(guān)條件計算出電動機的運行速度即可，行為實現(xiàn)過程中的其他具體細(xì)節(jié)主要取決于機器人運行的軟件系統(tǒng)；彈道式行為，顧名思義，一旦觸發(fā)，該行為自始自終都會按照預(yù)先設(shè)定好的模式運行，并且彈道式行為有一個明確的終點。判斷是否進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，只需要前端傳感器的變量d，旋轉(zhuǎn)結(jié)束的標(biāo)志d=0，這樣可以避免使用彈道行為來設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度值，減少誤差；旋轉(zhuǎn)方向，利用側(cè)向傳感器檢測信號，這里需要考慮在沿墻行走中，側(cè)向傳感器會出現(xiàn)檢測無狀態(tài)的情況，通過設(shè)定d可以避免沿墻行走時發(fā)生誤判旋轉(zhuǎn)，但是在拐角需要設(shè)定一定延時判斷。但對采用三輪移動機構(gòu)的機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三輪移動機構(gòu)能滿足要求。假設(shè)選擇左輪同地面之間的接觸點為坐標(biāo)原點，如圖316所示。如果機器人只是單輪驅(qū)動，而通過另外兩個輔助車輪來支撐和轉(zhuǎn)向，那么對非驅(qū)動車輪也要進(jìn)行同樣的檢查和調(diào)整，以免機器人出現(xiàn)錯誤轉(zhuǎn)向的問題。機器人超過40磅時,可以考慮試用諸如小型機車輪、手推車輪,或者其他相似的高效率的充氣輪胎[15]。往往需要進(jìn)行試驗,以找到能滿足路面條件要求的最合適的材料。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。這種傳感器由微動開關(guān)組成，當(dāng)機器鼠與墻壁相碰撞，由于場地與輪子間摩擦力足夠大，則可以觸動微動開關(guān)，給控制單元信號。在通常情況下，行為在執(zhí)行過程中只需要傳感器的信息。 3）無刷,電動機本體部件少,可靠性高。圖43 步進(jìn)電機分解圖步進(jìn)電機有如下特點[13]：1）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制,整個系統(tǒng)簡單廉價。使用仲裁器對相比較抽象的“資源”進(jìn)行管理。當(dāng)機器人同環(huán)境中的某個物體發(fā)生碰撞時，這種交互作用力就會變?yōu)榉橇阒?。?dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。1）競爭性的：在傳感器檢測同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。路面潮濕時也要求輪胎上有凹槽,這樣既有利于排水又可以增加摩擦力,或者說對地面的附著力。超過10磅,就要考慮實心橡膠輪胎或者充氣輪胎。如果這個問題不解決,會導(dǎo)致機器人直線行進(jìn)時偏離行進(jìn)方向,朝略微偏向未接觸地面的那個驅(qū)動輪的方向行駛。首先讓機器人按照特定方向圍繞某點進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作（兩個驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)速度大小相同，方向相反）；然后控制兩個驅(qū)動輪朝向相同方向旋轉(zhuǎn)，以執(zhí)行純粹的平移操作，直到達(dá)到期望位置為止。三點確定一個平面，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的。圖313 根據(jù)行為對機器鼠的任務(wù)分解圖313中所示的實現(xiàn)機器鼠行走行為的有限狀態(tài)機大大簡化前面所進(jìn)行的常規(guī)系統(tǒng)分析。圖311 基本行為組成基本行為具有通用結(jié)構(gòu)，對源碼的實現(xiàn)方式幾乎沒有任何約束。下述用偽代碼實現(xiàn)這一行為：Behavior bump_followIf (test_spin (A) ) then Rotation=w Translation=0Else if (L or R) then Set_spin(A,Oc)Else Rotation=w Translation=cEnd ifEnd bump_follow 行為bump_follow能夠使機器人比較準(zhǔn)確的沿墻或者某個剛性物體行駛，但是行駛速度較低，智能性較低，傳感器容易損壞。如果R比較小，機器鼠能夠根據(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，機器鼠在運行過程中可能做出比較激烈的左右搖擺。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)可以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。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)）。把從起點到終點用最短時間行走的紀(jì)錄作為這個機器人的記錄。障礙物識別。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。在很多時候由于移動機器人的工作環(huán)境具有不確定性(包括非結(jié)構(gòu)性、動態(tài)性等)，使得移動機器人無法建立全局環(huán)境模型，而只能根據(jù)傳感器信息實時地建立局部環(huán)境模型，因此局部模型的實時性、可靠性成為影響移動機器人是否可以安全、連續(xù)、平穩(wěn)運動的關(guān)鍵。輪子適于平坦的路面，足式移動機構(gòu)適于山岳地帶和凹凸不平的環(huán)境。此外，對感知和適應(yīng)一個部分未知的環(huán)境的需求需要智能（換句話說就是人工智能）。因此，很多日本人概念中的機器人，并不是歐美人所定義的。通過對機器鼠所運行的環(huán)境建模，根據(jù)基于行為的方法對機器鼠的執(zhí)行任務(wù)、沿墻行走、判斷障礙旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分解構(gòu)建，以及對機器鼠傳感器布置及機械平臺設(shè)計進(jìn)行理論分析?；谛袨榈臋C器人學(xué)反對抽象的定義, 因此采用場景化、具體化的解釋更適合該領(lǐng)域的哲學(xué)思想?；谛袨榈姆椒ㄔ谥兄悄芗彝サ壬虡I(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家庭式自動地板吸塵除菌機器人，將基于行為的思想引入機器人的作業(yè)規(guī)劃中，提高了規(guī)劃的效率和對環(huán)境的適應(yīng)度，具有良好的應(yīng)用前景。在機器鼠控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種吸塵機器人機械底盤設(shè)計方案，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，自動按照一定的路徑行駛，行駛過程中可以自動的識別并繞開障礙物，達(dá)到對房間進(jìn)行無人自動吸塵的目的。b. 高魯棒性。 圖1 機器鼠外形照片采用了ATMEL公司的AT89S52單片機控制，小型四相步進(jìn)電機及專用的PMM8713步進(jìn)電機驅(qū)動方案，紅外接近開關(guān)作為主要傳感器，差動式底盤結(jié)構(gòu)，初步實現(xiàn)針對微型機器鼠競賽的自主移動小車的設(shè)計。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。 l 重復(fù)和精度：裝配線工作已經(jīng)成為機器人技術(shù)工業(yè)的一個中流砥柱。 在移動機器人相關(guān)技術(shù)的研究中，導(dǎo)航技術(shù)是其核心，而路徑規(guī)劃是導(dǎo)航研究的一個重要環(huán)節(jié)和課題。而后者在實現(xiàn)上要簡單許多，所以應(yīng)用比較廣泛，其典型代表就是四叉樹建模法及其擴展算法(如基于位置碼四叉樹建模法、Framedquadtrees建模法等)。基于環(huán)境模型的方法由于其規(guī)劃的精確性和平穩(wěn)性應(yīng)用在很多領(lǐng)域特別是在宇宙空間探測中，美國于1996年12月發(fā)射了“火星探路者”探測器，并用所攜帶的“索杰納”火星車對火星進(jìn)行了實地考察，獲得了很大的成功。結(jié)束未知障礙物檢測。圖32 機器鼠比賽場地模型 設(shè)計任務(wù)分解針對微型鼠競賽任務(wù)，選擇迷宮走法，即左手規(guī)則：設(shè)定機器人的傳感器判別左側(cè)是否有可通過通道，當(dāng)傳感器判斷出左側(cè)為通道，即可機器人響應(yīng)轉(zhuǎn)向左側(cè)通道，如遇凹形通道，連續(xù)左轉(zhuǎn)兩次返回?？刂破魍ǔ＞哂泄β史糯蟮墓δ?。誤差信號備放大g倍后產(chǎn)生控制命令。機器鼠按照這種方式繼續(xù)運行，要么靠近墻，要么離開。偽代碼: Benavior range_follow Rotationg=g(D0d) Translation=cEnd range_followD0為期望邊緣距離，是需要維持的機器人和墻壁之間的緩沖距離；測距傳感器的實際測量距離為d；g為比例控制器的增益系數(shù)；固定常數(shù)c是機器人移動的速度。因此彈道式行為可以看作是一個規(guī)模較小的規(guī)劃過程或者序列操作過程。 機械平臺 機器人移動機構(gòu)方案選擇機器人移動機構(gòu)按其結(jié)構(gòu)可分為輪式、履帶式、步行方式或其他方式。鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高。此時機器人的平移速度v式左輪的驅(qū)動速度VL。2） 對稱對于雙輪驅(qū)動系統(tǒng), 還要注意確保兩驅(qū)動輪的軸線處于同一前后位置上, 如圖320 (a)所示。以上是一般性的建議,在某些特殊工作場合會有例外,比如通過增加靜摩擦或滾動摩擦來換取更好的牽引效果,而又不太在意磨損的應(yīng)用場合。在同樣的路面使用不同的輪胎也會表現(xiàn)出不一樣的性能。在一個導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算）或陸標(biāo)（如交叉路口、人行道等參照物）觀測確定。引起理想漫反射的光度分布 局部較強漫反射時的光度分布 　 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。這樣處理主要是針對當(dāng)紅外傳感器漏報或失效時，機器鼠與墻壁間發(fā)生碰撞，而不能正確判斷，使電機保持堵轉(zhuǎn)消耗更多能量。對于系統(tǒng)其他各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和情況無需得知。 4）易于起動,停止,正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。因此需要考慮仲裁機制。其中碰撞傳感器是利用同機器人移動最為相關(guān)的機器人與環(huán)境之間的交互作用力。圖323 光強度與電壓相應(yīng)曲線表32 紅外傳感器分類紅外傳感器分類漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢 測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。外部傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺和味覺等傳感器，機器人使用外部傳感器分類如表31：表31 機器人傳感器分類[1]傳感器檢測內(nèi)容檢測器件應(yīng)用觸覺接觸把握力荷重分布壓力多元力力矩滑動