【文章內(nèi)容簡介】 輪和一個輔助輪組成，此外還安裝有激光傳感器，攝像頭。 激光傳感器 本文中 所用的 仿真 激光傳感器是 按照 德國 SICK 公司生產(chǎn)的 LMS200設(shè)計的 ，它的掃描范圍最大可以到達(dá) 8m，掃描角度為 180176。，而將這個 180176。的半圓分成 0~360 共 361 份，其角度分辨率為 176。一份。如圖 所示。 圖 激光傳感器掃描范圍示意圖 攝像頭 本文中 所用的 仿真 攝像頭是按照日本 SANYO 公司生產(chǎn)的 CCD 設(shè)計的，它主要將機器人在室內(nèi)巡視時所到的地方的圖像顯示在窗口中，便于我們觀察，有利于我們對室內(nèi)的一切狀況進(jìn)行實時的監(jiān)控。一旦遇到什么情況，我們可以第一時間知道并及時的做出相應(yīng)的正確的反應(yīng)。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 差分驅(qū)動輪 本次研究中 所使用的 仿真 機器人是采用輪式結(jié)構(gòu)，由 2個驅(qū)動輪和一個輔助輪組成。 因此機器人所能完成的動作主要通過對 仿真 機器人左右輪的不同控制來實現(xiàn)的 ， 現(xiàn)在我們分別設(shè)仿真機器人的左輪子的速度為 1v ，右輪子的速度為 rv ， 如圖 示 。 圖 機器人平面圖 接下來，我們 對二 輪 差分輪式移動機器人 進(jìn)行 相關(guān)的 分析 ， 現(xiàn)在 分別設(shè)仿真機器人的左輪子的速度為 1v ，右輪子的速度為 rv 。 圖 機器人位置和姿勢 示意圖 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 則 將仿真 機器人的 左右輪子的速度 1v ， rv 轉(zhuǎn)換成 線速度 v 及角速度 ? 分別為 : ? ?? ?11v 2drrvvvv??? ??? ???? （ 21） 式中 d 為 仿真機器人右邊輪子到左邊輪子的距離 。 根據(jù)圖 ， 機器人的位置和姿勢的表達(dá)形式 為 ( x ， y ， θ ) ， 其中 ( x ， y) 為 機器人重心到坐標(biāo)軸邊界的距離 ， θ 為機器人 與坐標(biāo)軸 X的夾角 ， 則 x= cosy= sin=??????????????? （ 22） 式 （ 22）說明，我們可以講對機器人線速度和角速度的控制轉(zhuǎn)化對機器人左右輪子的速度的控制。 現(xiàn)在我們重新來 定義 一個新的函數(shù)關(guān)系式 d =f (x ， y) ， 其中 (x ， y)為 仿真 機器人 此時此刻所處的地理 位置 ， 而 f ( x ， y)= 0為 我們期望機器人所做的運動軌跡 ， 則 x y x2 2 2 2 2xx y y xy y x2 2 2 2 2xx y y xyy y xyd =f x +f y =f c os si nd =f c os f si n 2f c os si n f c os f si nf c os f si n 2f c os si n==f c os f si n? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ????? ? ???? ???? ? ? ???? ? ??? ?? ???（）（ ） （ 23） 式中 ， ? 為 我們剛 剛設(shè)的控制變量 。 由式 （ 23） 得 : d=??? 室內(nèi)巡視機器人的 開發(fā)環(huán)境 仿真環(huán)境 Microsoft Robotics Developer Studio 2021 R3 本文所采用的仿真環(huán)境是 Microsoft Robotics Developer Studio 2021 R3， 微軟機器人 的 通用開發(fā)平臺 Robotics Developer Studio 2021 第三個版本 R3 版本 ，簡稱 RDS 2021 R3。 Robotics Developer Studio 是 微軟 在 06 年開始 ， 面向機器人應(yīng)用開發(fā)而推出的一 個 平臺， 是 基于 .NET Framework 的 開發(fā)環(huán)境，微軟 RDS 支持多種機器人平臺，既可以在運行著 Windows 系統(tǒng)的嵌入式 PC上直接運行，也可以在 Windows PC 上通過藍(lán)牙、 WiFi等無線連接遠(yuǎn)程控制。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 編程環(huán)境 visual studio 2021 本文所采用的仿真環(huán)境是 Microsoft Visual Studio， 是面向 Windows Vista、 Office 202Web 的開發(fā)工具 。 VS2021引入了 250 個新特性，整合了對象、關(guān)系 型數(shù)據(jù)、 XML訪問方式，語言更加簡潔。這個版本包含了 眾多 版本，分別面向不同的開發(fā)角色。能創(chuàng)建滿足關(guān)鍵性要求的多層次 智能客戶端、 Web、 或基于 Microsoft Office 等 應(yīng)用程序。 使用 Visual Studio 2021 可以高效 地 開發(fā) Windows 應(yīng)用程序 ， 可以實時反映變更，智能感知功能可以提高開發(fā)效率。同時 Visual Studio 2021 支持項目模板、部署程序 和 調(diào)試器。 仿真機器人的總體巡視方案 總體巡視方案 室內(nèi)巡視機器人的總體巡視方案結(jié)構(gòu)框圖如 所示。 總體方案主要包括： 激光傳感器、攝像頭 數(shù)據(jù)的接口，避障， 路徑規(guī)劃， 實時監(jiān)控，手動控制。 圖 總體巡視方案結(jié)構(gòu)框圖 傳感器數(shù)據(jù)接口 激光傳感器、攝像頭數(shù)據(jù)的接口，它主要是將采集到激光傳感器、攝像頭的數(shù)據(jù)實時的傳送到機器人。機器人，巡視的主體，它將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后根據(jù)程序做出相應(yīng)的正確的動作，使其能夠順利的進(jìn)行巡視。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 避障 避障， 就是機器人在接收到激光傳感器傳來的關(guān)于前方障礙物的距離信息后，根據(jù)已經(jīng)編寫好的程序來控制機器人偏轉(zhuǎn)的方向和角度達(dá)到避開障礙物的目的。本文所采用的避障方法：獲取激光數(shù)據(jù)后，我們可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù) 編寫一個避障的控制程序，即當(dāng)激光檢測到的前方障礙物距離小于 500，就轉(zhuǎn)個方向。 路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃， 路徑規(guī)劃是 機器人在室內(nèi)進(jìn)行巡視的基本環(huán)節(jié) 。 它所要達(dá)到的目的是使機器人 在存在障礙物的環(huán)境中， 按照 一定的標(biāo)準(zhǔn) ， 尋找到 一條從 起點 到 終點 的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無障礙路徑 。 這里我們可以根據(jù)獲得的傳感器信息 ，即障礙物的尺寸、形狀和位置等信息 ，然后對這些信息進(jìn)行處理，并根據(jù)所要到達(dá)的效果來設(shè)計一條最合適的路徑 。 本文所采用的路徑規(guī)劃方法是沿墻走，即機器人沿著室內(nèi)的墻壁進(jìn)行巡視 。 實時監(jiān)控 實時監(jiān)控， 它主要將機器人在室內(nèi)巡視時所到 的地方的圖像顯示在窗口中，便于我們觀察，有利于我們對室內(nèi)的一切狀況進(jìn)行實時的監(jiān)控。一旦遇到什么情況，我們可以第一時間知道并及時的做出相應(yīng)的正確的反應(yīng)。 手動控制 手動控制， 雖然自動巡視具有很多的優(yōu)點，如方便，快捷，自主等，但是也有些不足，比如操作不靈活，功能單一等。為此我們專門引入了手動控制器來增加操作的靈活性和多樣化的功能。 我們 設(shè)計出一個 可視化 的 操作界面 來 介入機器人 的 仿真過程，譬如啟動 /暫停仿真， 自動 /手動的切換， 手工設(shè)置機器人的速度和 前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等 。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 3 仿真 機器人巡視算法 及 實現(xiàn) 仿真環(huán)境建立及 編程調(diào)試 仿真環(huán)境建立 首先啟動 Microsoft Visual Simulation Environment 2021 仿真軟件， 選擇軟件自帶的Apartment Environment場景， 然后在場景中添加一 個差分驅(qū)動輪機器人，并且 機器人上添加攝像頭、激光傳感器 。如下圖： 圖 仿真環(huán)境 控制程序的編寫 首先打開 Visual C 2021，新建一個項目，選擇 Microsoft Robotics 的 DSS Service 模板，如下圖，名稱命名為 zmh： 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 圖 新建 DSS 模板 點擊“確定”后，出現(xiàn)如下選項： （如圖 所示） 圖 選項卡 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 點擊“ Partners”選項卡，選擇希望添加的合作關(guān)系，然后點擊“ Add as Partner”按鈕。我們在仿真環(huán)境中使用了差分驅(qū)動輪，激光， Web攝像頭。因此，總共需要添加四個 Partner：Simulation Engine, Simulated Generic Differential Driver, Simulated Laser Range Finder, Simulated Webcam。然后點擊“ OK”后即可根據(jù)選項自動創(chuàng)建項目文件。 總的控制步驟可以概括如下：機器人從 激光 傳感器獲得數(shù)據(jù)→進(jìn)行運算→輸出控制命令。 避障 獲取激光數(shù)據(jù) 對于一個控制程序，一般的步驟是：從機器人的傳感器獲取傳感數(shù)據(jù) 運算 輸出控制命令。為了獲取激光數(shù)據(jù)，我們?nèi)ヒ蚣す鈧鞲衅靼l(fā)送一個 Get消息，等待其返回后即可得到激光傳感器數(shù)據(jù)了。 因此 定義一個更新激光數(shù)據(jù)的任務(wù)函數(shù)： 圖 獲取激光數(shù)據(jù)程序 為了使 UpdateLaser 任務(wù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，我們定義一個計數(shù)器消息端口，延時一定時間后就執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)。 zmhService 類中定義一個時間端口： 圖 定義時間端口程序 在類方法 Start 中，啟動計時器： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime) { var sensorOrFault = ()。 yield return ()。 if (!HasError(sensorOrFault)) { sensorState = ()sensorOrFault。 //激光數(shù)據(jù)放在 sensorState的 DistanceMeasurements屬性中。 } Activate((false, _dateTimePort, UpdateLaser))。 ((60), _dateTimePort)。 yield break。 } PortDateTime _dateTimePort = new PortDateTime()。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 圖 啟動計時器程序 第一句告訴 DSS，當(dāng) _dateTimePort 消息來時，執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)，第一個參數(shù) false表示只執(zhí)行一次。由于 _dateTimePort 的消息類型是 DateTime，所以我們需要重新定義UpdateLaser 任務(wù)為： IEnumeratorITask UpdateLaser(DateTime dateTime)。 第二句啟動一個延時計數(shù)，當(dāng)經(jīng)過 600 毫秒后，就往 _dateTimePort發(fā)送一個消息。這樣當(dāng) 600 毫秒之后，就會執(zhí)行 UpdateLaser 任務(wù)。 這樣只能執(zhí)行一次，為了使 UpdateLaser 任務(wù)不斷重復(fù)執(zhí)行，我們在 UpdateLaser 任務(wù)函數(shù)的結(jié)尾再加上上述兩句，這樣的話 UpdateLaser 就能不斷地重復(fù)了。 避障的實現(xiàn) 避障就是機器人在接收到激光傳感器傳來的關(guān)于前方障礙物的距離信息后，根據(jù)已經(jīng)編寫好的程序來控制機器人偏轉(zhuǎn)的方向和角度達(dá)到避開障礙物的目的。 本文所采用的避障方法： 獲取激光數(shù)據(jù)后，我們可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)編寫一個避障的控制程序，即當(dāng)激光檢測到的前方障礙物距離小于 500mm，就轉(zhuǎn)個方向。又因為激光數(shù)據(jù)是180176。 范圍的，我們?nèi)≈虚g的 60176。 作為障礙判斷依據(jù)， 如圖 所示。 為了更好的實現(xiàn)避障功能，使避障時機器人的轉(zhuǎn)向與下面將要講 到的沿墻走 路徑規(guī)劃有效的結(jié)合起來，以達(dá)到巡視時的最佳效果，現(xiàn)我們將這 60176。的范圍分成左右各 30176。（即 60176。 ~90176。和 90176。 ~120176。）。當(dāng)激光檢測到 60176。 ~90176。范圍內(nèi)有障礙物且只 小于 500 的安全距離 時，機器人向左轉(zhuǎn) ，如圖（ a） 所示 ；當(dāng)激光檢測到 90176。 ~120176。范圍內(nèi)有障礙物且只 小于 500mm 的安全距離 時，機器人向右轉(zhuǎn) ，如圖 （ b） 所示 。這樣就 實現(xiàn) 了機器人的 避障 功能 。