基于行為的智能吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　2．7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人的功能和運(yùn)行方式?jīng)Q定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

　　2．8 差速驅(qū)動(dòng)

　　差速驅(qū)動(dòng)底盤通過控制2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間的運(yùn)動(dòng)差異來控制機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。無論多么復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都可以分解為平移運(yùn)動(dòng)和原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖5為差速驅(qū)動(dòng)模型，描述了2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度同機(jī)器人曲率半徑之間的關(guān)系，曲率半徑為rL=VLW／(VR一VL)。當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)速度完全相同時(shí)．半徑rL的值將趨于無窮大，此時(shí)機(jī)器入沿直線行駛的過程可以理解為機(jī)器人沿某個(gè)半徑為無窮大的圓的旋轉(zhuǎn)過程；當(dāng)左輪速度為O時(shí)，rL等于0，機(jī)器人將會(huì)圍繞左輪進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作，此時(shí)vL=v，Vr=wW+v；當(dāng)左右2個(gè)輪子的速度相同而符號(hào)相反時(shí)，機(jī)器人將會(huì)圍繞著自己的中心位置進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)(rL=w／2)。差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人可以圍繞2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸心連線上的任意一點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作(包括機(jī)器人本體外的點(diǎn))。負(fù)半徑表示機(jī)器人沿弧線方向逆時(shí)針行駛；正半徑方向表示沿弧線方向順時(shí)針行駛。

　　3仲裁器設(shè)計(jì)

　　在某個(gè)時(shí)刻僅有一個(gè)行為觸發(fā)，系統(tǒng)能夠比較平穩(wěn)地運(yùn)行。但當(dāng)多個(gè)行為同時(shí)觸發(fā)，并且每個(gè)行為都需要機(jī)器人執(zhí)行不同的操作時(shí)，機(jī)器人就需要利用仲裁機(jī)制來妥善處理這種關(guān)系。這里采用固定優(yōu)先級(jí)仲裁，每個(gè)行為都被惟一地賦予一個(gè)優(yōu)先級(jí)值，沖突發(fā)生時(shí)，執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的行為。行為在發(fā)出控制請(qǐng)求后，需要知道自己是否已經(jīng)得到仲裁器的批準(zhǔn)。仲裁器帶有一定的輸出，每個(gè)行為都賦予一個(gè)惟一標(biāo)識(shí)符(ID：Identifer)。仲裁器輸出仲裁獲勝行為的標(biāo)識(shí)符。每個(gè)行為通過將自己的標(biāo)識(shí)符同仲裁器輸出相比較，能夠確定出自己是否已經(jīng)擁有了對(duì)仲裁資源的控制權(quán)。

　　機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，環(huán)境存在很多不可控因素，機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行方式與所期望的有很大差異，有時(shí)傳感器徹底失效，有時(shí)在信息檢測(cè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)錯(cuò)誤(漏報(bào)是指當(dāng)環(huán)境中存在某種傳感器應(yīng)該能夠檢測(cè)到的信息時(shí)，傳感器卻檢測(cè)不到；誤報(bào)則是指?jìng)鞲衅魉鶛z測(cè)到的信息在環(huán)境中是不存在或不正確的)。盡管在重要信息損失或者運(yùn)動(dòng)控制命令變質(zhì)的情況下，性能會(huì)受到一定程度的影響，機(jī)器人程序也應(yīng)該能夠盡其可能地做到最好，而不是完全徹底地癱瘓。在子系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤或者工作失敗的情況下，系統(tǒng)這種能夠降低水準(zhǔn)繼續(xù)工作的能力被稱為優(yōu)雅降級(jí)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有完善的優(yōu)雅降級(jí)功能(見圖6)。在碰撞傳感器失效的情況下，防堵轉(zhuǎn)和防靜止行為將保證機(jī)器人繼續(xù)完成任務(wù)。

　　4機(jī)器人仿真及分析

　　對(duì)以上提出的基于行為吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，圖7為機(jī)器人在模擬房間中清潔任務(wù)的仿真界面。機(jī)器人采用隨機(jī)覆蓋的模式，不知道自己的具體位置，因此不可避免地會(huì)再次訪問已訪問過的某個(gè)區(qū)域。隨著機(jī)器人的運(yùn)行，覆蓋區(qū)域的增長(zhǎng)速度呈遞減趨勢(shì)，區(qū)域覆蓋率則可以近似表達(dá)為：覆蓋率=(1-e-t/a)其中，f為時(shí)間變量；a為一時(shí)間常數(shù)。表明了機(jī)器人在不訪問舊區(qū)域的情況下進(jìn)行確定性覆蓋所花費(fèi)的時(shí)間。通過實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行情況來看，本文的設(shè)計(jì)方案完全可以滿足要求。雖然隨機(jī)覆蓋方法沒有確定性覆蓋的低重復(fù)性，但他卻能避免確定性覆蓋所帶來的價(jià)格、復(fù)雜性以及系統(tǒng)脆弱性問題。

　　5 結(jié) 語

　　基于行為的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法不采用價(jià)格昂貴的單一類型傳感器去獲取難以達(dá)到的精度和可靠性，而是綜合使用多個(gè)可靠性相對(duì)來說比較差一些的傳感器系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)使機(jī)器人具有更強(qiáng)的魯棒性。

　　作者在結(jié)合傳統(tǒng)的基于行為技術(shù)和傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取最有效的行為搭配構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)的工作效率較傳統(tǒng)的隨機(jī)覆蓋有了很大的提高。