【正文】 鼠檢測到在其附近有墻存在，機器鼠就會沿原點位于自己左側(cè)的半徑為R的圓弧向遠離墻壁的左前方行駛。機器鼠按照這種方式繼續(xù)運行，要么靠近墻，要么離開。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。為了使狀態(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)。它使機器人沿著某個狹長環(huán)境特征的邊緣移動。機器人沿墻行走，就是讓機器人順著墻的輪廓平穩(wěn)移動。l 基于接觸傳感器的沿墻行走行為只裝有碰撞檢測傳感器的機器人也能實現(xiàn)沿墻行走行為。采用這種方法，機器人沿墻行走的路徑軌跡為圓齒形。l 基于測距傳感器的沿墻行走行為橫向安裝的測距傳感器能夠使機器人比較可靠的沿墻行走，如圖39所示。偽代碼: Benavior range_follow Rotationg=g(D0d) Translation=cEnd range_followD0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。如圖310所示，在遇到斜面時，當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。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。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。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?；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。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]。對于行為的描述通常可以分為：伺服行為和彈道式行為。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。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。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]。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。出現(xiàn)這種原因是將系統(tǒng)中所有可能的一些具體細節(jié)都描述成相應(yīng)的狀態(tài)?；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)。如圖312所示。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。 機械平臺 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。: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。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。: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。三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制最方便。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，對負載有一定限制。鉸軸轉(zhuǎn)向式控制簡單，但精度不是太高。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。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。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。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。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。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。選擇機器人上的任何一點作為局部坐標系統(tǒng)的原點。此時機器人的平移速度v式左輪的驅(qū)動速度VL。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=VLω=(VRVL)/w也經(jīng)常使用上述求解表達式的逆向計算過程：VL=VVR=ωw+V圖316坐標系統(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，當機器人圍繞坐標系統(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。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。2πrl=2π（rl+w）/VR由上式可以求出VR為：rl=VLw/(VRVL)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)。換句話說,圖319(b)所示的左、右車輪高低不同是不可取的。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)。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。2） 對稱對于雙輪驅(qū)動系統(tǒng), 還要注意確保兩驅(qū)動輪的軸線處于同一前后位置上, 如圖320 (a)所示。圖320 對稱[7]對于單輪驅(qū)動,則要求驅(qū)動輪安裝在兩輔助輪軸線的中垂線上,即如圖320(b)所示。如果出現(xiàn)不正確的安裝姿態(tài),如果不靠某種軟件來校正,機器人肯定不會沿著既定的路線行駛。電機的輸出軸將經(jīng)由鏈傳動、齒形帶、帶輪等將運動傳遞到車輪, 一定要計算好鏈條或皮帶的長度以及張緊力,確保傳動時不會打滑。 車輪的選擇選擇車輪需要考慮多種因素,如機器人的尺寸、重量、地形狀況、電機功率等等,當然,也需要考慮到美觀。小于2磅的輕型機器人,可以使用軟性泡沫塑料車輪。超過2磅的機器人,需要選用質(zhì)地更為堅硬的材料做車輪,不充氣的中空橡膠輪胎能夠在6～10磅下工作。而類似割草機的車輪,不管是實心的還是充氣的,在機器人的重量接近40磅的場合都可以成為選擇的方案。以上是一般性的建議,在某些特殊工作場合會有例外,比如通過增加靜摩擦或滾動摩擦來換取更好的牽引效果,而又不太在意磨損的應(yīng)用場合。還有另一種例外,就是有意讓輪子和標準鉛垂面之間形成一個角度,這個措施能削弱機器人由于電機未被妥善緊固而造成的偏離行進方向的傾向。機器人運動時,需要考慮輪胎材料以及輪胎受到的壓力和拉力。路面平整時常使用充氣輪胎,這時輪胎不會發(fā)生嚴重變形。一般來說,在光滑表面使用堅硬的或充氣很足的輪胎,在崎嶇路面使用扁平的軟性輪胎以便獲得在不確定路面下良好的牽引效果。在崎嶇的路面,車輪需要更具有附著力的輪胎面,它更能適應(yīng)地形增加摩擦力。但如果在光滑的路面上有碎屑和塵土,就需要在輪胎上做出一些特殊的紋路,以增加對運動表面的壓力,降低塵土對車輪的影響。有些材料在不同路面上使用時性能的差別很大,一定要仔細選擇。在同樣的路面使用不同的輪胎也會表現(xiàn)出不一樣的性能。接觸面積很大時它卻能獲得高的牽引力。但是寬輪胎摩擦系數(shù)更高,需要更多能量來驅(qū)動它。 多傳感器的配合使用 傳感器在機器人學(xué)科應(yīng)用為了檢測作業(yè)對象及環(huán)境或機器人與它們的關(guān)系，在機器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。機器人傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。外部傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺和味覺等傳感器，機器人使用外部傳感器分類如表31：表31 機器人傳感器分類[1]傳感器檢測內(nèi)容檢測器件應(yīng)用觸覺接觸把握力荷重分布壓力多元力力矩滑動限制開關(guān)應(yīng)變計、半導(dǎo)體感、壓元件彈簧變位測量器導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料應(yīng)變計、半導(dǎo)體感壓元件壓阻元件、馬達電流計光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測器、光纖動作順序控制把握力控制張力控制指壓控制姿勢形狀判別裝配力控制協(xié)調(diào)控制滑動判定 接近覺接近間隔傾斜光電開關(guān)、LED、 紅外、激光光電晶體管、光電二極管電磁線圈、超聲波傳感器動作順序控制障礙物躲避軌跡移動控制視覺平面位置距離形狀缺陷ITV攝像機、位置傳感器測距儀線圖象傳感器面圖像傳感器位置決定控制移動控制物體識別、判別檢查、異常檢測聽覺聲音超聲波麥克風(fēng)超聲波傳感器語言控制（人機接口）導(dǎo)航嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學(xué)成分測探味覺味道離子敏感器、PH計化學(xué)成分測探傳感器匯集類型有多種，通常采用的以下兩種例子。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。在一個導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進行計算）或陸標（如交叉路口、人行道等參照物）觀測確定。2）互補性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。利用彩色攝像機和激光測距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機提供圖像（如顏色、特征），而激光測距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進行檢測,然而這是一種理想的結(jié)果。如果直接用發(fā)射和接收管進行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號,采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。圖322 紅外發(fā)射接受原理反射光強度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x 的函數(shù),設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時,x 與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的,如圖323 所示。圖323 光強度與電壓相應(yīng)曲線表32 紅外傳感器分類紅外傳感器分類漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢 測物體經(jīng)過時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。引起理想漫反射的光度分布 局部較強漫反射時的光度分布 　 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。當被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號?！?槽式光電開關(guān)通常是標準的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號。　 光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，以實現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。實物產(chǎn)品：漫反射型光電開關(guān)（NPN三極管驅(qū)動輸出）檢測距離：100毫米被檢測物最小直徑：5毫米指向角度：小于5度 工作電壓：10～36V直流工作電流：小于10毫安輸出驅(qū)動電流：300毫安 溫度范圍：－25～70度 圖324 紅外光電傳感器實物 圖325 紅外光電傳感器原理電路這是一種應(yīng)用最為廣泛的光電開關(guān)，它的直徑為18毫米，固定時只要在設(shè)備外殼上打一個18毫米的圓孔就能輕松固定，長度約75毫米，背后有工作指示燈，當檢測到物體時紅色LED點亮，平時處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長度為100毫米。其中碰撞傳感器是利用同機器人移動最為相關(guān)的機器人與環(huán)境之間的交互作用力。這種碰撞力士在機器人驅(qū)動輪輸出傳動力矩的作用下產(chǎn)生的。這樣處理主要是針對當紅外傳感器漏報或失效時，機器鼠與墻壁間發(fā)生碰撞，而不能正確判斷，使電機保持堵轉(zhuǎn)消耗更多能量。這種傳感器的實現(xiàn)方式有很多，使用虛擬和物理方式都能實現(xiàn)靜止傳感器。如果機器鼠在運動，碰撞傳感器、紅外傳感器都有可能改變它們的輸出信息值。當在拐角等地方，碰撞傳感器未能接觸時起檢測作用。圖327 機器鼠傳感器布局設(shè)計圖328 機器鼠傳感器安裝示意圖當各種行為由于系統(tǒng)某種資源缺乏而存在相互競爭的關(guān)系時，就需要利用仲裁機制來妥善處理這種關(guān)系。例如機器鼠的驅(qū)動電機就是一個典型的缺乏性資源。因此需要考慮仲裁機制。各種行為都可能競相使用機器人的某種功能[5]。對于系統(tǒng)其他各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)和情況無需得知。當轉(zhuǎn)向行為被觸發(fā)時，該行為試圖控制機器人旋轉(zhuǎn)一定角度，以避開前方障礙。為滿足行為的這種控制信息需要，常將仲裁器設(shè)計為帶有一定的輸出，用以表示仲裁過程的獲勝。為了維持一個易于修改、擴展和調(diào)試的系統(tǒng)，所有行為都不允許修改其他行為的內(nèi)部狀態(tài)。盡管某個行為所創(chuàng)建和擁有的局部信息可以作為變量參與另一個行為的計算過程，這樣的做法是錯誤的，采用這樣方法完全違背了基于行為的經(jīng)典思想，更類似于自組織結(jié)構(gòu)程序。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 2）位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng),步距誤差不長期積累,可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 4）易于起動,停止,正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。 6）步距角可在大范圍內(nèi)選擇,在小步距情況下,通常可以在超低轉(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行,通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負載。 8）步進電動機帶慣性負載能力