【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，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)。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 (論文 ) 第 18 頁 D0 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。 其中，傳感器應(yīng)該安裝在機器人旋轉(zhuǎn)中心的前面，并且與該中心保持一定的距離；如果傳感器位于機器人兩個輪子的軸線上，它所測量的距離有時不能用來確定機器人的旋轉(zhuǎn) 方向。如圖 310 所 示，在遇到斜面時，當(dāng)傳感器檢測與墻壁距離太近，試圖轉(zhuǎn)向墻壁的方向旋轉(zhuǎn)以對此校正，但此時傳感器卻錯誤的判斷距離增大，而導(dǎo)致機器人撞向墻壁。 圖 310 傳感器處于兩輪中間時失效 ? 基于接近覺傳感器的沿墻行走行為 同接近覺傳感器相比，測距傳感器價格通常比較昂貴，并且性能穩(wěn)定性也比較差。通常，沿墻行走至采用一個接近覺傳感器，并且采用這種傳感器的行為與測距傳感器有很大部分相似。 Behavior proximity_follow Rotation=w (2P1) Translation=c End proximity_follow 前進速度 c和旋轉(zhuǎn)速度 w的同時設(shè)置將使機器人按照某條具有特定半徑的圓弧行駛，因此機器人的運動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 基于行為的機器人學(xué)提出基本行為這一概念，用來表示機器人比較低級的簡單行 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 19 頁 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動作的觸發(fā)單元。 基本行為由一個觸發(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)換為機器人所要執(zhí)行的控制命令，而觸發(fā)單元則用來確定在什么情況下控制系統(tǒng)應(yīng)該為機器人的執(zhí)行器產(chǎn)生的指令輸出?；拘袨榈倪@兩個組成單元都可以檢測相同的或者不同的傳感器信息，以便確定自己的動作。一般來說，允許控制系統(tǒng)連續(xù)運行 ， 相 比反復(fù)啟停計算過程具有更多實用性，并且編程過程更加簡單。如果控制系統(tǒng)連續(xù)運行，在行為不需要執(zhí)行時，只要簡單的利用觸發(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)，對源碼的實現(xiàn)方式幾乎沒有任何約束。對于行為的 描述通常可以分為：伺服行為和彈道式行為。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。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。 為得到某一執(zhí)行結(jié)果，首先利用伺服行為實現(xiàn)，伺服行為對環(huán)境變化能 做 出快速響應(yīng)，不但具有良好的抗噪聲能力，而且對工作過程中所出現(xiàn) 的其他微小故障也具有較強的容錯性。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 20 頁 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)，在機器人研究領(lǐng)域，當(dāng)提及某個系統(tǒng)具有狀態(tài)時，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)機不但具有有限數(shù)量的狀態(tài)，而且還詳細(xì)的對系統(tǒng)如何在狀態(tài)間進行切換定義了相關(guān)規(guī)則 [5]。 針對機器鼠比賽的特點，利用 FSM對其行為進行描 述。機器鼠的工作方式如下：在 L型通道中如果傳感器沒有檢測到前方有障礙，則始終保持沿墻行走狀態(tài)；如果傳感器檢測到前方有障礙，停止前進，原地向左旋轉(zhuǎn) 180度，直到檢測前方無障礙，繼續(xù)保持沿墻行走狀態(tài)；直到再次檢測前方有障礙，再次執(zhí)行原地旋轉(zhuǎn)，但在凹形通道中，傳感器仍然檢測前方有障礙，連續(xù)執(zhí)行原地旋轉(zhuǎn) 180度命令，直到檢測無障礙；回到拐角處，檢測到前方有障礙，但側(cè)向傳感器檢測不到有障礙，機器鼠原地向右旋轉(zhuǎn) 180度回到起點。 圖 312 機器鼠在通道環(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 現(xiàn)系統(tǒng)很容易發(fā)生錯誤。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)的信息保存到某個變量中簡化系統(tǒng)的分析過程?；谶@種思想，擬將整個系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)啟動系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)方向判斷系統(tǒng)。將前端傳感器檢測到有無信號設(shè)輸出為 d，檢測到有障礙 d=1，無障礙保持 d=0，右側(cè) 傳感器有無信號輸出為 a,檢測到有障礙 a=1，無障礙保持 a=0。如圖 312所示。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 21 頁 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行的常規(guī)系統(tǒng)分析。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。判斷是否進入旋轉(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。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 22 頁 機器鼠 機械 移動 平臺 設(shè)計（單獨一章） 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。輪式和履帶式機器人適合于條件較好的路面，而步行機器人則適于條件較差的路面。輪式移動機構(gòu)運動平穩(wěn)，自動操縱簡單，最適合平地行走，在無人工廠中，常用來搬運零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。 圖 314 輪式移動機構(gòu)布置 [7] 普通的輪式移動機構(gòu)一般有三個輪、四個輪或六個輪，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)向電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。 :在機器人的左、右輪上分別裝上 兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由輪。 據(jù)上所述，輪式移動機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，它同時也可以作為驅(qū)動輪。如果 1作為驅(qū)動輪，可將輪 2或輪 3之一作為驅(qū)動輪。 :如圖 (b)所示，輪 1 為隨動輪，它可以自由轉(zhuǎn)動，輪 2 和輪3都是驅(qū)動輪。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 23 頁 :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)動輪，轉(zhuǎn)向通過轉(zhuǎn)向電機來實現(xiàn)。 :如圖 (d)所示，輪 1 和輪 2 為自由輪，輪 3 和輪 4 分別由不同的電機來驅(qū)動，以實現(xiàn)差動轉(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。三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制最方便。三點確定一個平面，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，對負(fù)載有一定限制。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。鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高。差動轉(zhuǎn)向式控制較復(fù)雜，但精度高。考慮到吸塵機器人在移動和避障時，其運動 和轉(zhuǎn)向的精度要求較高，所以本設(shè)計采用三輪差動轉(zhuǎn)向式。 采用標(biāo)準(zhǔn)差速驅(qū)動運動平臺對于 機器鼠 已經(jīng)滿足其運動條件。由于 機器鼠 需要在靠近墻壁的附近區(qū)域工作，形狀應(yīng)設(shè)計為對稱圓柱體，并且兩個驅(qū)動輪的軸線應(yīng)該同整個外殼的直徑相重合。這種形狀可以幫助機器鼠在窄小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎避讓。 差速驅(qū)動底盤通過控制兩個驅(qū)動輪之間的運動差異來控制機器人的整體運動。也就是說，無論另一個輪子的移動速度如何，每個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)常使用一個或者多個萬向輪。 圖 315 機器鼠 所采 用的底盤方案 透過 機器鼠的殼體向下俯視，可以看到如圖所示的兩個驅(qū)動輪和位于前端的球形萬向腳輪。左右兩個驅(qū)動輪 L和 R之間的相對速度決定了機器鼠的整體運動。當(dāng)兩個輪子同時向前旋轉(zhuǎn)時，機器鼠就會前進；當(dāng)兩個輪子以相同速度向相反方向旋轉(zhuǎn)時，機器鼠將會圍繞位于兩輪子中間的中心點進行原地旋轉(zhuǎn)操作。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 24 頁 盡管平移運動和旋轉(zhuǎn)運動相互偶合在一起，然而可以通過兩步操作將這兩個運動分量進項有效的解耦。首先讓機器人按照特定方向圍繞某點進行原地旋轉(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 到達到期望位置為止。選擇機器人上的任何一點作為局部坐標(biāo)系統(tǒng)的原點。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。此時機器人的平移速度 v式左輪的驅(qū)動速度 VL。底盤圓周半徑為 w，并且其旋轉(zhuǎn)角速度為 ω ,位于該圓上的某點的線速度 Vpoint=ω w。機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式的逆向計算過程： VL=V VR=ω w+V 圖 316坐標(biāo)系統(tǒng) F 原點位于機器人的左輪 在圖 317 所示差速驅(qū)動機器人運動的某個特殊情況， 當(dāng)機器人圍繞坐標(biāo)系統(tǒng)的原點進行旋轉(zhuǎn)操作時，由左輪所確定出的曲率半徑為向量 rl。隨著旋轉(zhuǎn)過程的進行，? 的值將從 0增達到 2π ，此時左右兩個輪子的運動軌跡形成了兩個同心圓，其周長分別為 2π rl 和 2π （ rl+w）。左輪沿內(nèi)圈行駛的時間和右輪沿外圈行駛的時間是相同的，由此我們可以計算出 rl的值。由于時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 (論文 ) 第 25 頁 圖 317 輪速同機器人運動之間的關(guān)系 該式描述了左右兩個輪子的速度同機器人曲率半徑之間的關(guān)系，對此可以 做 出非常合理的解釋。當(dāng)兩個驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)速度完全相同時，半徑 rl 的值將趨于無窮大。當(dāng)左輪速度為 0時， rl等于 0，機器人圍繞左輪進行原地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)兩個輪子的速度幅值相同而符號相反時，機器人將會圍繞中心位置進行原地旋轉(zhuǎn)。 （ a） 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 26 頁 （ b） 圖 318 機器鼠機械底盤 車輪的安裝與選擇 1） 平衡 當(dāng)使用一對車輪驅(qū)動的時候 ,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] 檢查的方法很簡單，將機器人 放置在一個光滑的平面上，仔細(xì)觀察所有驅(qū)動輪是否同時接觸到平面，以及機器人是否傾斜，或者在每個驅(qū)動輪的正上方給一個正壓力，觀察機器人是否會晃動。 如果發(fā)現(xiàn)確實存在機器人不平衡的問題 ,就要調(diào)整到平衡狀態(tài)。如果這個問題不解決 ,會導(dǎo)致機器人直線行進時偏離行進方向 ,朝略微偏向未接觸地面的那個驅(qū)動輪的方向行駛。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。 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)動車輪也要進行同樣的檢查和