移動(dòng)機(jī)器人3D仿真軟件的設(shè)計(jì)

　　軟件的初始化工作主要包括：從配置文件讀入移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)量、軟件運(yùn)行時(shí)所需文件的路徑和繪制窗口大小等參數(shù);導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景所需的素材，如聲音、紋理和3ds模型等，本文采用lib3ds庫來讀取3ds文件[6];初始化ODBC 接口，獲取ODBC 環(huán)境句柄，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互;初始化游戲手柄和UDP通信網(wǎng)絡(luò);初始化ODE環(huán)境，創(chuàng)建動(dòng)力學(xué)環(huán)境和碰撞檢測(cè)空間，創(chuàng)建移動(dòng)機(jī)器人和仿真場(chǎng)景。

　　(2)物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的接收

　　在仿真循環(huán)中，利用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)本地進(jìn)程與其他進(jìn)程之間的通信，該軟件也可以從鍵盤、游戲手柄和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫讀入機(jī)器人的動(dòng)作指令。

　　(3)物體碰撞檢測(cè)

　　本文將與物理引擎有關(guān)的操作函數(shù)封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過使用動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)，軟件可以實(shí)現(xiàn)模塊化，即由相對(duì)獨(dú)立的組件來組成整個(gè)軟件。這簡(jiǎn)化了軟件項(xiàng)目的管理，而且能夠節(jié)省內(nèi)存，也有助于資源共享和代碼更新移植。

　　ODE 的碰撞檢測(cè)引擎需要給定兩個(gè)物體的形狀信息。在每一仿真循環(huán)中，調(diào)用dSpaceCollide函數(shù)獲取可能發(fā)生接觸的物體，再由該函數(shù)指定的碰撞回調(diào)函數(shù)nearCallback將接觸點(diǎn)信息傳給用戶。由此，用戶可根據(jù)自身需要建立物體間的碰撞連接點(diǎn)，每個(gè)連接點(diǎn)都有相應(yīng)的dContactGeom 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保存著碰撞點(diǎn)的位置和兩個(gè)物體互相進(jìn)入對(duì)方的深度。為了提高仿真速度，軟件使用較少的關(guān)節(jié)和較少的接觸面，如果條件允許，也可以使用無摩擦或者粘性接觸面。下面給出碰撞回調(diào)函數(shù)中關(guān)于接觸面的參數(shù)設(shè)置：

　　surface.mu=3.0; //庫侖摩擦力系數(shù)

　　surface.mu2=0.0; //庫侖摩擦力系數(shù)2

　　surface.slip1=0.05; //摩擦力1方向的滑動(dòng)摩擦力

　　surface.slip2=0.05; //摩擦力2方向的滑動(dòng)摩擦力

　　surface.bounce=0.9; //反彈系數(shù)

　　surface.bounce_vel=1.0; //反彈所需要的最小碰撞速度

　　surface.soft_erp=0.2; //接觸點(diǎn)法線方向“柔軟”參數(shù)

　　surface.soft_cfm=1e-4; //接觸點(diǎn)法線方向柔軟參數(shù)

　　(4)三維圖形繪制

　　在仿真軟件中，與繪制圖形有關(guān)的操作函數(shù)都被封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，該動(dòng)態(tài)鏈接庫只向仿真軟件提供若干個(gè)接口，如在繪制機(jī)器人時(shí)，只需根據(jù)機(jī)器人的不同部位，設(shè)定相應(yīng)的繪制參數(shù)，然后輪流調(diào)用dsDrawCylinder、dsDrawBox兩個(gè)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，dsDrawCylinder函數(shù)的輸入?yún)?shù)分別為物體位置、朝向、長(zhǎng)度和半徑，而dsDrawBox函數(shù)的輸入?yún)?shù)為位置、朝向和尺寸;在繪制從x文件和3ds文件導(dǎo)入的三維模型時(shí)，只需調(diào)用dsDrawTriangleD函數(shù)即可。

　　4 仿真實(shí)例

　　本文在VS2008平臺(tái)上開發(fā)仿真軟件，ODE版本為0.9，OpenGL版本為1.0，軟件為控制臺(tái)程序。

　　在檢驗(yàn)路徑規(guī)劃算法或避障算法時(shí)，可先創(chuàng)建一個(gè)虛擬足球場(chǎng),再設(shè)定機(jī)器人初始位置的絕對(duì)坐標(biāo)為(-9.0，-5.0)，目的地絕對(duì)坐標(biāo)為(5.5，5.0)，并在路徑的中間布置8個(gè)或更多的障礙物，障礙物直徑為50 cm，其位置參數(shù)可以人為指定，也可以隨機(jī)產(chǎn)生，然后在虛擬場(chǎng)景的二維地圖上，以宏觀鳥瞰的遠(yuǎn)程視野，對(duì)避障算法的仿真結(jié)果進(jìn)行觀察、比較和分析，仿真效果如圖4所示。若需了解算法運(yùn)行的細(xì)節(jié)，可以直接觀察3D環(huán)境的仿真過程，或通過分析記錄下的仿真數(shù)據(jù)來比較算法的優(yōu)劣。而在檢驗(yàn)多機(jī)器人協(xié)作算法時(shí)，可同時(shí)利用三維環(huán)境和二維全局地圖來對(duì)算法性能進(jìn)行比較，以由多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人組成的足球隊(duì)為例，移動(dòng)機(jī)器人需按照協(xié)作算法來實(shí)現(xiàn)站位[7]。

　　此外，在采用PID控制算法對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行控制時(shí)，有比例增益、微分增益和積分增益三個(gè)參數(shù)需要整定測(cè)試[8]，此時(shí),可以利用仿真軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行步估計(jì)。實(shí)驗(yàn)方法是：先設(shè)定初始位置和目的地位置，然后讓機(jī)器人以最快速度向目的地移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地后，就停止不動(dòng)。在機(jī)器人移動(dòng)過程中，記錄下機(jī)器人在每一仿真步驟中的位姿(x,y,θ)T，并將位姿數(shù)據(jù)歸一化，以便能夠?qū)⑷S的向量繪制在同一坐標(biāo)系下，同時(shí)記錄機(jī)器人走完設(shè)定路徑所需的時(shí)間。圖5(a)為采用比例控制算法的機(jī)器人位姿變化軌跡，機(jī)器人走完該路徑所需時(shí)間為16.239 s，圖5(b)為采用比例-微分控制算法的變化軌跡，所需時(shí)間為14.026 s。從圖5的結(jié)果可看出，采用比例控制算法的系統(tǒng)輸出無超調(diào)，而采用比例-微分控制算法的系統(tǒng)，其控制目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)微小超調(diào)，但機(jī)器人的響應(yīng)速度明顯提高，尤其是機(jī)器人朝向角的控制，能夠更加快速準(zhǔn)確地跟隨給定值。

　　在移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)和多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)的研究中，為了能夠?qū)λ惴▍?shù)進(jìn)行有效檢驗(yàn)和測(cè)試，本文利用ODE、OpengGL和VS2008開發(fā)出移動(dòng)機(jī)器人仿真軟件。該軟件采用ODE生成動(dòng)力學(xué)世界和模擬物體碰撞，充分利用了ODE的快速性和精確性，仿真軟件還采用高效的圖形接口OpenGL來繪制圖形，提高軟件的圖形處理能力，改善圖形顯示效果。仿真實(shí)例證明，該軟件具有較好的擴(kuò)展性和實(shí)用性。