【導(dǎo)讀】與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了。明確的說(shuō)明并表示了謝意。交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與。基于行為的方法在中智能家庭等商業(yè)領(lǐng)域受到了許多研究人員的青睞，IRobot. 機(jī)器人的作業(yè)規(guī)劃中，提高了規(guī)劃的效率和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度，具有良好的應(yīng)用前景。進(jìn)行分析和重構(gòu)，以此對(duì)傳感器的布局，機(jī)械結(jié)構(gòu)和程序流程進(jìn)行了理論分析設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)吸塵機(jī)器人的研究，僅處于剛起步階段，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有此類產(chǎn)品推。在移動(dòng)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究中，路徑規(guī)劃技術(shù)是一個(gè)重要研究領(lǐng)域[17]。先初步討論總結(jié)了目前主要的路徑規(guī)劃技術(shù)。將其用于解決移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃問(wèn)題是一種新的發(fā)展趨勢(shì)，它把導(dǎo)航問(wèn)。每年舉辦的微型機(jī)器鼠比賽，通過(guò)設(shè)計(jì)基于行為的機(jī)器鼠模型論證該算法的可行性。法,實(shí)現(xiàn)了自行設(shè)計(jì)的自主式小型移動(dòng)機(jī)器人在未知、動(dòng)態(tài)環(huán)境中的自動(dòng)避障。

　　

【正文】 以使系統(tǒng)在不發(fā)生發(fā)散型振蕩的情況下，能夠以比較快的速度，精確的停止在目標(biāo)位置，其中最常用的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)是 PID 控制器。 ? 針對(duì)機(jī)器鼠比賽的狀態(tài)控制器 由于考慮采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，因此在開(kāi)環(huán)控制器的基礎(chǔ)上提出狀態(tài)控制器，這種控制器比比例 控制器還要簡(jiǎn)單，只有兩種狀態(tài)，根據(jù)傳感器反饋信息實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的切換：當(dāng)檢測(cè)量高于某個(gè)設(shè)定的閥值，控制器輸出一個(gè)數(shù)值；而當(dāng)檢測(cè)量低于該值時(shí)，則輸出另外一個(gè)不同的數(shù)值。 狀態(tài)控制器針對(duì)小車沿墻行走具有較高效的控制，如下圖所示，在沿墻行走中，機(jī)器鼠試圖在自己的右側(cè)檢測(cè)墻的位置，并據(jù)此確定自己的動(dòng)作，最終達(dá)到沿墻行走的效果。機(jī)器鼠 采 用紅外接近覺(jué)傳感器檢測(cè)自己的右側(cè)是否有墻存在，這種傳感器符合狀態(tài)控制器要求，輸出值為 0 或 1， 1 代表檢測(cè)到有墻存在， 0 代表沒(méi)有檢測(cè)到任何東西。在沿墻行走過(guò)程中，當(dāng)機(jī)器鼠在自己的右側(cè)檢測(cè)到墻 壁時(shí)，它會(huì)沿原點(diǎn)位于墻左側(cè)的圓弧向遠(yuǎn)離墻的方向行駛；當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到任何東西，機(jī)器鼠就會(huì)沿原點(diǎn)位于墻右側(cè)的圓弧 軌跡 向墻 壁 靠近。 系統(tǒng)的延遲在一定程度決定了機(jī)器鼠 能 否能夠完美的沿墻走。大的延遲會(huì)導(dǎo)致機(jī)器鼠的行走路徑由一系列大曲率的圓弧組成；小延遲能夠使機(jī)器鼠的行走路徑近似 直線 ，幾乎觀察不到機(jī)器鼠有任何的方向矯正動(dòng)作。 狀態(tài)控制器有一個(gè)增益參數(shù)，亦即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線的曲率半徑 R。如果 R 比較大，即使系統(tǒng)具有很大延遲，機(jī)器鼠也能夠比較平滑沿墻壁走。然而，出現(xiàn)拐彎時(shí)，如果拐彎方向朝向機(jī)器鼠一側(cè)，那么機(jī)器鼠容易同墻壁發(fā)生碰撞 ；如果拐彎朝向另一側(cè)，那么機(jī)器鼠需要移動(dòng)很遠(yuǎn)的距離才能返回靠近墻壁的位置。如果 R比較小，機(jī)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(jī)器鼠在運(yùn)行 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 過(guò)程中可能做出比較激烈的左右搖擺。 圖 38 機(jī)器鼠沿墻行走示意 在 (a)中，機(jī)器鼠檢測(cè)到在其附近有墻存在，機(jī)器鼠就會(huì)沿原點(diǎn)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。當(dāng)機(jī)器鼠離墻太遠(yuǎn)，就會(huì)如 (b)所示，傳感器檢測(cè)不到墻壁的位置，機(jī)器鼠會(huì)重新向墻靠近，這時(shí)，機(jī)器鼠的行走軌跡是原點(diǎn)位于自己右側(cè)的半徑為 R 的圓弧。機(jī)器鼠按照這種方式繼 續(xù)運(yùn)行，要么靠近墻，要么離開(kāi)。 在狀態(tài)控制器中還需引入重要的環(huán)節(jié) —— 磁滯環(huán)節(jié)，使得當(dāng)系統(tǒng)變量低于某個(gè)值改變狀態(tài)，高于某個(gè)值改變狀態(tài)。兩值之間為狀態(tài)保持，這樣大大減少系統(tǒng)反復(fù)改變狀態(tài)的次數(shù)和頻率。當(dāng)然任何系統(tǒng)都不可避免地存在著一定的磁滯現(xiàn)象。為了使?fàn)顟B(tài)控制系統(tǒng)獲得良好的控制性能，需要根據(jù)目的引入磁滯環(huán)節(jié)。 2) 邊緣行走行為 邊緣行走行為能夠幫助機(jī)器人在障礙物之間搜索路徑。它使機(jī)器人沿著某個(gè)狹長(zhǎng)環(huán)境特征的邊緣移動(dòng)。其中沿墻行走行為可能是最常用的一種邊緣行走行為。機(jī)器人沿墻行走，就是讓機(jī)器人順著墻的輪廓平穩(wěn)移動(dòng)。實(shí)現(xiàn) 這種行為的關(guān)鍵一點(diǎn)就是方向?qū)?zhǔn)問(wèn)題。 ? 基于接觸傳感器的沿墻行走行為 只裝有碰撞檢測(cè)傳感器的機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)沿墻行走行為。盡管這種機(jī)器人沒(méi)有安裝能保證自己在每個(gè)具體時(shí)刻都同向 保持平行的機(jī)構(gòu)，但是通過(guò)左右旋轉(zhuǎn)他能在平均的意義上保持朝向同墻平行的。采用這種方法，機(jī)器人沿墻行走的路徑軌跡為圓齒形。下述用偽代碼實(shí)現(xiàn)這一行為： 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17 頁(yè) Behavior bump_follow If (test_spin (A) ) then Rotation=w Translation=0 Else if (L or R) then Set_spin(A,Oc) Else Rotation=w Translation=c End if End bump_follow 行為 bump_follow 能夠使機(jī)器人比較準(zhǔn)確的沿墻或者某個(gè)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。 ? 基于測(cè)距傳感器的沿墻行走行為 橫向安裝的測(cè)距傳感器能夠使機(jī)器人比較可靠的沿墻行走，如圖 39所示。 圖 39 測(cè)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(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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁(yè) End range_follow 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(lái)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(jué)傳感器的沿墻行走行為 同接近覺(jué)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(jué)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。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁(yè) 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(lái)表示機(jī)器人比較低級(jí)的簡(jiǎn)單行為。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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，允許控制系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 ， 相 比反復(fù)啟停計(jì)算過(guò)程具有更多實(shí)用性，并且編程過(guò)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(kāi)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(méi)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(guò)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(guò)程或者序列操作過(guò)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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 20 頁(yè) 響應(yīng)，不但具有良好的抗噪聲能力，而且對(duì)工作過(guò) 程中所出現(xiàn)的其他微小故障也具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。 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(guò)去的處理過(guò)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(méi)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(guò)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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁(yè) 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。 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(lái)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(guò)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。 機(jī)械平臺(tái) 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(lái)搬運(yùn)零部件或做其他工作，應(yīng)用最廣泛。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁(yè) 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(guò)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(guò)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。 :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(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)來(lái)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(lái)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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁(yè) 動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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。