【正文】
。 7）速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié),同時用一臺控制器控制幾臺步進電動機可使它們完全同步運行。 5）停止時可有自鎖能力。 3）無刷,電動機本體部件少,可靠性高。圖43 步進電機分解圖步進電機有如下特點[13]：1）可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制,整個系統(tǒng)簡單廉價。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。圖329 機器鼠的基本行為組件第4章 機器鼠四相步進電機及驅(qū)動電路設(shè)計 步進電機控制概況圖41 單路步進電機控制的試驗電路圖42 單片機控制電路板實物步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。這點很重要。在機器鼠中，行為可以采用同處理其他感知輸入信息完全相同的方式使用這些來自仲裁器的輸出信息。那么，在行為開始時，首先應(yīng)該知道自己所發(fā)布的命令是否已經(jīng)起作用。然而，有時當(dāng)某些行為試圖控制機器人的電機時，需要知道自己的命令是否被通過。在通常情況下，行為在執(zhí)行過程中只需要傳感器的信息。使用仲裁器對相比較抽象的“資源”進行管理。在機器鼠運行過程中，執(zhí)行沿墻行走行為和執(zhí)行轉(zhuǎn)向行為，而執(zhí)行機構(gòu)只有步進電機。資源缺乏是指機器人的資源供不應(yīng)求。可以和碰撞傳感器配合來避免因為紅外傳感器的失效，造成的行為混亂。而機器鼠一旦停止運行，所有傳感器的輸出值都將保持不變。虛擬靜止傳感器的一種簡單實現(xiàn)方式是設(shè)計某個行為，該行為的主要任務(wù)實時檢測某個或多個物理傳感器的信息值是否發(fā)生變化。圖326 微動開關(guān)實物靜止傳感器用來檢測機器人是否仍在運動。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。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)榉橇阒怠? 經(jīng)上述分析，擬采用以紅外漫反射光電傳感器為主，輔以微動開關(guān)組成的碰撞傳感器和由軟件控制的靜止檢測傳感器的方案。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。當(dāng)檢測物體是不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。　 對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當(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。設(shè)定輸出電壓達到某一閾值時作為目標,不同的目標距離閾值電壓是不同的。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送經(jīng)紅外發(fā)光管發(fā)射,光敏管接收調(diào)制的紅外信號[1],原理如圖320所示。因為光的反射受到多種因素的影響,如反射表面的形狀、顏色、光潔度,日光、日光燈照射等不確定因素。 機器人紅外傳感器圖321 紅外反射光電傳感器原理紅外反射式光電傳感器特性與工作原理：反射式光電傳感器的光源有多種,常用的有紅外發(fā)光二極管,普通發(fā)光二極管,以及激光二極管,前兩種光源容易受到外界光源的干擾,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號,不容易被干擾但價格較貴。例如，識別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。若陸標觀測成功，則用陸標觀測的結(jié)果，并對計算法的值進行修正，否則利用計算法所得的結(jié)果。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。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。外部的傳感器用于機器人對周圍的環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，使機器人和環(huán)境發(fā)生相互作用，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。內(nèi)部傳感器是以機器人本身的坐標軸來確定其位置，安裝在機器人自身中，用來感知機器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機器人的行動。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進一步完善，機器人的功能越來越強大，將在許多領(lǐng)域為人類做出更大貢獻。為了在這對矛盾中尋求最優(yōu)解就需要進行試驗,以獲得輪胎寬度的合適范圍。因此在沙地上運動時,應(yīng)該使用寬輪胎,因為窄輪胎會陷進去。例如沙地,接觸面狹窄時,牽引力很小。往往需要進行試驗,以找到能滿足路面條件要求的最合適的材料。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。路面光滑時,使用光滑的胎面以增加車輪與路面間的接觸面積。對機器人來說選用輪胎的方法與此類似,可以概括為高摩擦表面使用低摩擦性能的輪胎,低摩擦表面使用高摩擦性能的輪胎。而駕車外出或在山路上騎車時應(yīng)減少輪胎的充氣量。2） 地形條件與車輪材料首先觀察一下在不同路面上移動時汽車和自行車的車輪。為此輪胎的質(zhì)地需要更為堅硬,因為此時只是借助輪胎的某個側(cè)面來運動,而非整個底面。如果輕型機器人驅(qū)動電機的功率較小,便可以使用硬橡膠輪胎以減少滾動摩擦。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]。超過10磅,就要考慮實心橡膠輪胎或者充氣輪胎。由于機器人的重量輕,軟性材料的變形還不至于太嚴重,而且能在摩擦力很小時工作良好。1）車輪重量與類型的關(guān)系一般來說,機器人越重,要求車輪和履帶的結(jié)構(gòu)越堅固。盡管一些撓性聯(lián)軸器,比如聚乙烯管材、聯(lián)軸器成品等,容許在一定程度的錯軸條件下傳動,但是仍然需要將這種變形限制在允許的范圍內(nèi)。如果電機不直接與驅(qū)動輪相連, 事先應(yīng)當(dāng)計劃好在何處安裝電機。3） 同軸當(dāng)驅(qū)動輪與電機直接連接時,還要注意驅(qū)動輪彼此是同軸的,也就是說,驅(qū)動輪都對準正前方。操作起來很容易, 只要在向驅(qū)動輪安裝架鉆孔時事先做好標記就可以了。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調(diào)整，以免機器人出現(xiàn)錯誤轉(zhuǎn)向的問題。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。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。（a）（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。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。由于時間等于距離與速度的商值。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2πrl和2π（rl+w）。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=ωw。假設(shè)選擇左輪同地面之間的接觸點為坐標原點，如圖316所示。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。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。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。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)。這種形狀可以幫助機器鼠在窄小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎避讓。采用標準差速驅(qū)動運動平臺對于機器鼠已經(jīng)滿足其運動條件。差動轉(zhuǎn)向式控制較復(fù)雜，但精度高。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。三點確定一個平面，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的。四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。: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)。如果1作為驅(qū)動輪，可將輪2或輪3之一作為驅(qū)動輪。在這種情況下，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由輪。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。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。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。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。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。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。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。針對機器鼠比賽的特點，利用FSM對其行為進行描述。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)。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。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。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。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?；拘袨橛梢粋€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。 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為。Behavior proximity_follow Rotation=w(2P1) Translation=cEnd 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。圖310 傳感器處于兩輪中間時失效l 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。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。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)。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。盡管這種機器人沒有安裝能保證自己在每個具體時刻都同向保持平行的機構(gòu)，但是通過左右旋轉(zhuǎn)他能在平均的意義上保持朝向同墻平行的。實現(xiàn)這種行為的關(guān)鍵一點就是方向?qū)蕟栴}。其中沿墻行走行為可能是最常用的一種邊緣行走行為。2) 邊緣行走行為邊緣行走行為能夠幫助機器人在障礙物之間搜索路徑。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。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)變量低于某個值改變狀態(tài)，高于某個值改變狀態(tài)。當(dāng)機器鼠離墻太遠，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。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。如果R比較大，即使系統(tǒng)具有很大延遲，機器鼠也能夠比較平滑沿墻壁走。大的延遲會導(dǎo)致機器鼠的行走路徑由一系列大曲率的圓弧組成；小延遲能夠使機器鼠的行走路徑近似直線，幾乎觀察不到機器鼠有任何的方向矯正動作。在沿墻行走過程中，當(dāng)機器鼠在自己的右側(cè)檢測到墻壁時，它會沿原點位于墻左側(cè)的圓弧向遠離墻的方向行駛；當(dāng)沒有檢測到任何東西，機器鼠就會沿原點位于墻右側(cè)的圓弧軌跡向墻壁靠近。狀態(tài)控制器針對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，機器鼠試圖在自己的右側(cè)檢測墻的位置，并據(jù)此確定自己的動作，最終達到沿墻行走的效果。通常提高系統(tǒng)的復(fù)雜程度為代價，許多方法可以使系統(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，精確的停止在目標位置，其中最常用的一種閉環(huán)控制系統(tǒng)是PID控制器。采用這種閉環(huán)控制的比例控制器，即使在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，也能使機器人以接近于期望速度值的速度運行。期望速度和測量速度的差值為誤差信號Ve。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。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。閉環(huán)控