基于行為的智能吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　自主吸塵機(jī)器人(AutonomollsCleaningRobot，ACR)又稱為清潔機(jī)器人或智能吸塵器，是移動(dòng)式智能機(jī)器人進(jìn)人家庭的一個(gè)典型應(yīng)用。

　　其結(jié)合了機(jī)器人和吸塵器的核心技術(shù)，能在無(wú)人看守情況下輕松地完成實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的全自動(dòng)清潔。集機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體。吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，他是目前家用電器領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的熱門研發(fā)課題。目前國(guó)內(nèi)外在吸塵機(jī)器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果，并有成品上市。雖然自主吸塵機(jī)器人已經(jīng)形成產(chǎn)品并推向了市場(chǎng)，但其性能還有待進(jìn)一步提高。

　　l 基于行為

　　Rodney Brooks在1986年發(fā)表的論文中提到的包容式結(jié)構(gòu)表明了基于行為的編程方法的正式起源。包容式結(jié)構(gòu)：在進(jìn)化過程中，人類永遠(yuǎn)不會(huì)喪失比較低級(jí)的和原始的大腦工程，而高級(jí)功能則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行添加，因此在每個(gè)人的大腦內(nèi)部都保留有類似于爬行動(dòng)物的低級(jí)意識(shí)殘余。與此類似，采用基于行為的方法需要為機(jī)器人設(shè)計(jì)一系列簡(jiǎn)單行為(所謂的行為也就是通過感知信息控制執(zhí)行過程的算法)，這些行為相互協(xié)調(diào)和協(xié)作，產(chǎn)生所需求的機(jī)器人整體行為。系統(tǒng)的行為并不是完全確定的，而是包含了很多隨機(jī)的東西。執(zhí)行過程并不十分穩(wěn)定，但系統(tǒng)的整體行為是非常穩(wěn)定的。基于行為的機(jī)器人將盡可能地將傳感器信息同執(zhí)行過程直接連接。具有很強(qiáng)的反射性：只要機(jī)器人對(duì)相關(guān)環(huán)境做出了判斷，就立即采取行動(dòng)。一有信息就立即據(jù)此動(dòng)作。

　　2行為設(shè)計(jì)

　　行為分為2種類型：伺服行為和彈道式行為。伺服行為采用反饋控制環(huán)作為他的控制單元。彈道式行為，自始至終都會(huì)按照預(yù)先沒定好的模式運(yùn)行。彈道式行為的整體規(guī)劃過程同實(shí)現(xiàn)程序代碼密切相關(guān)，執(zhí)行過程中的環(huán)境變化或者行為初始化過程中的任何微小錯(cuò)誤(如噪聲假信號(hào)所導(dǎo)致的誤操作)，都會(huì)給機(jī)器人帶來(lái)麻煩，導(dǎo)致徹底失效。伺服行為具有良好的抗噪聲能力，對(duì)工作過程中的其他微小故障也具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。 本文的行為采用有限狀態(tài)機(jī)(Finite state Machine，F(xiàn)SM)使能夠更方便地理解系統(tǒng)工作過程，從而可以容易地編寫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代碼。

　　2．1 巡航行為

　　巡航行為是最基本也是機(jī)器人最常使用的行為。該行為使2個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出相同的轉(zhuǎn)速，機(jī)器人近似直線的向前方運(yùn)動(dòng)，直到其他行為觸發(fā)，當(dāng)其他行為運(yùn)行結(jié)束時(shí)，將又回復(fù)到巡航行為。

　　2．2 沿墻行走行為

　　沿墻行走行為能夠幫助機(jī)器人在障礙物之間搜索路徑。特別是對(duì)于多個(gè)房間的環(huán)境來(lái)說(shuō)，在門的附近進(jìn)行一小段沿墻行走行為將使機(jī)器人更有機(jī)會(huì)進(jìn)入其他的房間，所以機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)，隔一段時(shí)間需要進(jìn)行一小段沿墻行走行為。如圖1所示：

　　2．3 歸航行為

　　歸航行為與泊位傳感器相結(jié)合，使機(jī)器人在電量不足時(shí)能夠回到充電處進(jìn)行充電，以保證任務(wù)能夠完成。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人歸航行為的左右2個(gè)紅外信標(biāo)接收器的性能不可能完全一致，當(dāng)機(jī)器人通過比較傳感器輸出確定出自己直接面/對(duì)光源時(shí)，其實(shí)際朝向卻偏向光源的一測(cè)，機(jī)器人沿著某個(gè)螺旋線向著信標(biāo)的位置前進(jìn)。機(jī)器人前進(jìn)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度ω=k(L一R)，其中k為增益參數(shù)；L，R為紅外接受器接收到的接受信號(hào)強(qiáng)度。當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)，機(jī)器人未必處于充電的房間，因此檢測(cè)不到紅外信標(biāo)的信號(hào)，此時(shí)應(yīng)觸發(fā)沿墻行走行為使機(jī)器人走到能檢測(cè)到信標(biāo)信號(hào)的房間再觸發(fā)歸航行為。如圖2所示。

　　2．4 逃離行為

　　逃離行為能保護(hù)機(jī)器人避免發(fā)生危險(xiǎn)，保證任務(wù)得以順利完成。機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度是用來(lái)平衡系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力的一個(gè)重要參數(shù)。如果該值較大，那么機(jī)器人將能非常干凈利索地離開墻或者其他比較大的障礙物；但機(jī)器人卻因此而喪失了尋找狹小通路的能力，嚴(yán)重限制了他在錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行自主導(dǎo)航的能力；如果角度比較小，機(jī)器人將會(huì)比較容易地在凌亂的環(huán)境中穿行，然而在執(zhí)行避開墻壁的操作時(shí)則需反復(fù)多次才能成功，因此應(yīng)選擇隨機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。如圖3所示。

　　2．5 防堵轉(zhuǎn)行為

　　永磁直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩同電流成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)兩端施加電壓而電動(dòng)機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩和電流達(dá)到最大值。如果機(jī)器人同某個(gè)障礙物發(fā)生碰撞，并且驅(qū)動(dòng)輪同地面之間具有很大的摩檫力，那么驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將會(huì)處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，如果電動(dòng)機(jī)具有最大電流，并且電流已經(jīng)持續(xù)了相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，那么表明機(jī)器人已經(jīng)同環(huán)境中的某個(gè)物體發(fā)生了碰撞。堵轉(zhuǎn)檢測(cè)傳感器只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)在高電流狀態(tài)(高于某個(gè)閾值)下持續(xù)了一段時(shí)間才能斷定已發(fā)生碰撞的判斷(電機(jī)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生瞬間電流峰值)。

　　2．6防靜止行為

　　虛擬靜止檢測(cè)傳感器只要通過軟件實(shí)現(xiàn)即可。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)各傳感器的輸出信息都可能在不停地變化，而一旦停止運(yùn)動(dòng)，所有傳感器的輸出信息都將保持不變。