【正文】 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(shí)，機(jī)器人向遠(yuǎn)離墻壁的方向旋轉(zhuǎn) ；當(dāng)距離偏大時(shí)，機(jī)器人向靠近墻壁的方向旋轉(zhuǎn)。偽代碼 : Benavior range_follow Rotationg=g (D0d) Translation=c End range_follow 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁(yè) D0 為期望邊緣距離，是需要維持的機(jī)器人和墻壁之間的緩沖距離；測(cè)距傳感器的實(shí)際測(cè)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(jī)器人移動(dòng)的速度。 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。如圖 310 所 示，在遇到斜面時(shí)，當(dāng)傳感器檢測(cè)與墻壁距離太近，試圖轉(zhuǎn)向墻壁的方向旋轉(zhuǎn)以對(duì)此校正，但此時(shí)傳感器卻錯(cuò)誤的判斷距離增大，而導(dǎo)致機(jī)器人撞向墻壁。 圖 310 傳感器處于兩輪中間時(shí)失效 ? 基于接近覺傳感器的沿墻行走行為 同接近覺傳感器相比，測(cè)距傳感器價(jià)格通常比較昂貴，并且性能穩(wěn)定性也比較差。通常，沿墻行走至采用一個(gè)接近覺傳感器，并且采用這種傳感器的行為與測(cè)距傳感器有很大部分相似。 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。系統(tǒng)的延遲和磁滯效應(yīng)越小，機(jī)器人行走路徑就越趨近于一條直線。 判斷通道，觸發(fā)旋轉(zhuǎn)行為 基于行為的機(jī)器人學(xué)提出基本行為這一概念，用來表示機(jī)器人比較低級(jí)的簡(jiǎn)單行 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁(yè) 為。通常情況下，基本行為由兩部分組成： 1） 將感知信息轉(zhuǎn)換為執(zhí)行其指令的控制單元； 2） 用來決定控制單元何時(shí)動(dòng)作的觸發(fā)單元。 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?；拘袨榈倪@兩個(gè)組成單元都可以檢測(cè)相同的或者不同的傳感器信息，以便確定自己的動(dòng)作。一般來說，允許控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 ， 相 比反復(fù)啟停計(jì)算過程具有更多實(shí)用性，并且編程過程更加簡(jiǎn)單。如果控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，在行為不需要執(zhí)行時(shí)，只要簡(jiǎn)單的利用觸發(fā)控制開關(guān)廢棄相關(guān)的輸出指令即可 [42]。 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。對(duì)于行為的 描述通?？梢苑譃椋核欧袨楹蛷椀朗叫袨?。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(jī)器鼠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的行為，只需要根據(jù)相關(guān)條件計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度即可，行為實(shí)現(xiàn)過程中的其他具體細(xì)節(jié)主要取決于機(jī)器人運(yùn)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(huì)按照預(yù)先設(shè)定好的模式運(yùn)行，并且彈道式行為有一個(gè)明確的終點(diǎn)。因此彈道式行為可以看作是一個(gè)規(guī)模較小的規(guī)劃過程或者序列操作過程。 為得到某一執(zhí)行結(jié)果，首先利用伺服行為實(shí)現(xiàn)，伺服行為對(duì)環(huán)境變化能 做 出快速響應(yīng)，不但具有良好的抗噪聲能力，而且對(duì)工作過程中所出現(xiàn) 的其他微小故障也具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁(yè) 有限狀態(tài)分析（ FSM： Finite State Machine）狀態(tài)指系統(tǒng)可能存在的所有結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人研究領(lǐng)域，當(dāng)提及某個(gè)系統(tǒng)具有狀態(tài)時(shí)，通常指的是該系統(tǒng)具有記憶能力。如果系統(tǒng)具有狀態(tài)，那么系統(tǒng)響應(yīng)不但取決于當(dāng)前的傳感器檢測(cè)信息，而且還同以前采集到的所有傳感器信息以及過去的處理過程有關(guān)。在機(jī)器人領(lǐng)域經(jīng)常采用的是具有限狀態(tài)數(shù)量的系統(tǒng)，有限狀態(tài)機(jī)不但具有有限數(shù)量的狀態(tài)，而且還詳細(xì)的對(duì)系統(tǒng)如何在狀態(tài)間進(jìn)行切換定義了相關(guān)規(guī)則 [5]。 針對(duì)機(jī)器鼠比賽的特點(diǎn)，利用 FSM對(duì)其行為進(jìn)行描 述。機(jī)器鼠的工作方式如下：在 L型通道中如果傳感器沒有檢測(cè)到前方有障礙，則始終保持沿墻行走狀態(tài)；如果傳感器檢測(cè)到前方有障礙，停止前進(jìn)，原地向左旋轉(zhuǎn) 180度，直到檢測(cè)前方無(wú)障礙，繼續(xù)保持沿墻行走狀態(tài)；直到再次檢測(cè)前方有障礙，再次執(zhí)行原地旋轉(zhuǎn)，但在凹形通道中，傳感器仍然檢測(cè)前方有障礙，連續(xù)執(zhí)行原地旋轉(zhuǎn) 180度命令，直到檢測(cè)無(wú)障礙；回到拐角處，檢測(cè)到前方有障礙，但側(cè)向傳感器檢測(cè)不到有障礙，機(jī)器鼠原地向右旋轉(zhuǎn) 180度回到起點(diǎn)。 圖 312 機(jī)器鼠在通道環(huán)境中示意 以上分析已經(jīng)變得相當(dāng)繁瑣和難以處理，在這種情況下實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)很容易發(fā)生錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種原因是將系統(tǒng)中所有可能的一些具體細(xì)節(jié)都描述成相應(yīng)的狀態(tài)。利用FSM可以將系統(tǒng)的信息保存到某個(gè)變量中簡(jiǎn)化系統(tǒng)的分析過程?；谶@種思想，擬將整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)方向判斷系統(tǒng)。將前端傳感器檢測(cè)到有無(wú)信號(hào)設(shè)輸出為 d，檢測(cè)到有障礙 d=1，無(wú)障礙保持 d=0，右側(cè) 傳感器有無(wú)信號(hào)輸出為 a,檢測(cè)到有障礙 a=1，無(wú)障礙保持 a=0。如圖 312所示。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁(yè) 圖 313 根據(jù)行為對(duì)機(jī)器鼠 的 任務(wù)分解 圖 313 中所示的實(shí)現(xiàn)機(jī)器鼠行走行為的有限狀態(tài)機(jī)大大簡(jiǎn)化前面所進(jìn)行的常規(guī)系統(tǒng)分析。在 圖中，旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方向被相互獨(dú)立的利用兩個(gè) FSM 實(shí)現(xiàn)，每個(gè) FSM都只有兩個(gè)狀態(tài)：前端傳感器檢測(cè)障礙情況，和側(cè)向傳感器檢測(cè)障礙情況。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(cè)信號(hào)，這里需要考慮在沿墻行走中，側(cè)向傳感器會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)無(wú)狀態(tài)的情況，通過設(shè)定 d可以避免沿墻行走時(shí)發(fā)生誤判旋轉(zhuǎn)，但是在拐角需要設(shè)定一定延時(shí)判斷。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁(yè) 機(jī)器鼠 機(jī)械 移動(dòng) 平臺(tái) 設(shè)計(jì)（單獨(dú)一章） 機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案選擇 機(jī)器人移動(dòng)機(jī) 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。輪式和履帶式機(jī)器人適合于條件較好的路面，而步行機(jī)器人則適于條件較差的路面。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，自動(dòng)操縱簡(jiǎn)單，最適合平地行走，在無(wú)人工廠中，常用來搬運(yùn)零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。 圖 314 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)布置 [7] 普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有三個(gè)輪、四個(gè)輪或六個(gè)輪，其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式 : :轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 :在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上 兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度比實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。 據(jù)上所述，輪式移動(dòng)機(jī)器人通常有以下幾種可選方案 : :如圖 (a)所示，輪 1 為鉸軸轉(zhuǎn)向輪，它同時(shí)也可以作為驅(qū)動(dòng)輪。如果 1作為驅(qū)動(dòng)輪，可將輪 2或輪 3之一作為驅(qū)動(dòng)輪。 :如圖 (b)所示，輪 1 為隨動(dòng)輪，它可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，輪 2 和輪3都是驅(qū)動(dòng)輪。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁(yè) :如圖 (c)所示，輪 1 和輪 2 為轉(zhuǎn)向輪，它們之間有同步輪轉(zhuǎn)向連桿，輪 3或輪 4為驅(qū)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 :如圖 (d)所示，輪 1 和輪 2 為自由輪，輪 3 和輪 4 分別由不同的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)轉(zhuǎn)向。 四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，控制最方便。三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的。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(duì)負(fù)載有一定限制。但對(duì)采用三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足要求。鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡(jiǎn)單，但精度不是太高。差動(dòng)轉(zhuǎn)向式控制較復(fù)雜，但精度高?？紤]到吸塵機(jī)器人在移動(dòng)和避障時(shí)，其運(yùn)動(dòng) 和轉(zhuǎn)向的精度要求較高，所以本設(shè)計(jì)采用三輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向式。 采用標(biāo)準(zhǔn)差速驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)于 機(jī)器鼠 已經(jīng)滿足其運(yùn)動(dòng)條件。由于 機(jī)器鼠 需要在靠近墻壁的附近區(qū)域工作，形狀應(yīng)設(shè)計(jì)為對(duì)稱圓柱體，并且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的軸線應(yīng)該同整個(gè)外殼的直徑相重合。這種形狀可以幫助機(jī)器鼠在窄小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎避讓。 差速驅(qū)動(dòng)底盤通過控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的運(yùn)動(dòng)差異來控制機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。也就是說，無(wú)論另一個(gè)輪子的移動(dòng)速度如何，每個(gè)輪子都可以按照自己特定的速度旋轉(zhuǎn)。在構(gòu)造過程中，為了維持平衡經(jīng)常使用一個(gè)或者多個(gè)萬(wàn)向輪。 圖 315 機(jī)器鼠 所采 用的底盤方案 透過 機(jī)器鼠的殼體向下俯視，可以看到如圖所示的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和位于前端的球形萬(wàn)向腳輪。左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪 L和 R之間的相對(duì)速度決定了機(jī)器鼠的整體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)輪子同時(shí)向前旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器鼠就會(huì)前進(jìn)；當(dāng)兩個(gè)輪子以相同速度向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器鼠將會(huì)圍繞位于兩輪子中間的中心點(diǎn)進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24 頁(yè) 盡管平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互偶合在一起，然而可以通過兩步操作將這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)分量進(jìn)項(xiàng)有效的解耦。首先讓機(jī)器人按照特定方向圍繞某點(diǎn)進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)速度大小相同，方向相反）；然后控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)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。選擇機(jī)器人上的任何一點(diǎn)作為局部坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)。假設(shè)選擇左輪同地面之間的接觸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖 316 所示。此時(shí)機(jī)器人的平移速度 v式左輪的驅(qū)動(dòng)速度 VL。底盤圓周半徑為 w，并且其旋轉(zhuǎn)角速度為 ω ,位于該圓上的某點(diǎn)的線速度 Vpoint=ω w。機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度同輪子速度之間的關(guān)系可以表示為： V=VL ω =(VRVL)/w 也經(jīng)常使用上述求解表達(dá)式的逆向計(jì)算過程： VL=V VR=ω w+V 圖 316坐標(biāo)系統(tǒng) F 原點(diǎn)位于機(jī)器人的左輪 在圖 317 所示差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的某個(gè)特殊情況， 當(dāng)機(jī)器人圍繞坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，由左輪所確定出的曲率半徑為向量 rl。隨著旋轉(zhuǎn)過程的進(jìn)行，? 的值將從 0增達(dá)到 2π ，此時(shí)左右兩個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)軌跡形成了兩個(gè)同心圓，其周長(zhǎng)分別為 2π rl 和 2π （ rl+w）。左輪沿內(nèi)圈行駛的時(shí)間和右輪沿外圈行駛的時(shí)間是相同的，由此我們可以計(jì)算出 rl的值。由于時(shí)間等于距離與速度的商值。 2π rl=2π （ rl+w） /VR 由上式可以求出 VR為： rl=VLw/(VRVL) 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁(yè) 圖 317 輪速同機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系 該式描述了左右兩個(gè)輪子的速度同機(jī)器人曲率半徑之間的關(guān)系，對(duì)此可以 做 出非常合理的解釋。當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)速度完全相同時(shí)，半徑 rl 的值將趨于無(wú)窮大。當(dāng)左輪速度為 0時(shí)， rl等于 0，機(jī)器人圍繞左輪進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個(gè)輪子的速度幅值相同而符號(hào)相反時(shí)，機(jī)器人將會(huì)圍繞中心位置進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)。 （ a） 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 26 頁(yè) （ b） 圖 318 機(jī)器鼠機(jī)械底盤 車輪的安裝與選擇 1） 平衡 當(dāng)使用一對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)的時(shí)候 ,要讓左、右車輪處于同一平面內(nèi) ,如圖 317(a)所示的那樣。換句話說 ,圖 319(b)所示的左、右車輪高低不同是不可取的。 圖 319 平衡 [7] 檢查的方法很簡(jiǎn)單，將機(jī)器人 放置在一個(gè)光滑的平面上，仔細(xì)觀察所有驅(qū)動(dòng)輪是否同時(shí)接觸到平面，以及機(jī)器人是否傾斜，或者在每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的正上方給一個(gè)正壓力，觀察機(jī)器人是否會(huì)晃動(dòng)。 如果發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在機(jī)器人不平衡的問題 ,就要調(diào)整到平衡狀態(tài)。如果這個(gè)問題不解決 ,會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人直線行進(jìn)時(shí)偏離行進(jìn)方向 ,朝略微偏向未接觸地面的那個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的方向行駛。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪是通過一個(gè)支架與機(jī)器人底盤連接的，這時(shí)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(dòng)輪。 如果機(jī)器人只是單輪驅(qū)動(dòng)，而通過另外兩個(gè)輔助車輪來支撐和轉(zhuǎn)向，那么對(duì)非驅(qū)動(dòng)車輪也要進(jìn)行同樣的檢查和