智能吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)新產(chǎn)品，結(jié)合了機(jī)器人和吸塵器技術(shù)，能在無人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作，越來越受到人們的歡迎。

　　其結(jié)合了機(jī)器人和吸塵器的核心技術(shù)，能在無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。雖然自主吸塵機(jī)器人已經(jīng)形成產(chǎn)品并推向了市場，但其性能還有待進(jìn)一步提高。

作者在結(jié)合傳統(tǒng)的行為技術(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。

　　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)喪失比較低級的和原始的大腦工程，而高級功能則在此基礎(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)物的低級意識殘余。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?；谛袨榈臋C(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(如噪聲假信號所導(dǎo)致的誤操作)，都會(huì)給機(jī)器人帶來麻煩，導(dǎo)致徹底失效。伺服行為具有良好的抗噪聲能力，對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

　 巡航行為是一種最簡單的預(yù)定義行為，該行為具有兩個(gè)參數(shù)：左輪速度和右輪速度。在每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)步內(nèi)，巡航行為都要求左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度被設(shè)定為指定值！　　

2．2 沿墻行走行為

　　機(jī)器人借助左右兩個(gè)紅外接近覺傳感器能夠執(zhí)行沿墻行走操作。它與逃離行為非常相似，它也起始于開始狀態(tài)start，并且保持該狀態(tài)，直到左側(cè)或者右側(cè)物體接觸到接近覺傳感器，該行為就會(huì)進(jìn)入左側(cè)有墻狀態(tài)或者右側(cè)有墻狀態(tài)。然后控制機(jī)器人向左或者向右行駛。當(dāng)執(zhí)行有墻狀態(tài)沿曲線前進(jìn)時(shí)，如果轉(zhuǎn)向太大以至于相應(yīng)的接近覺傳感器不再能檢測到物體，那么機(jī)器人將進(jìn)入左墻迷失狀態(tài)或者右墻迷失狀態(tài)。左墻迷失狀態(tài)將會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向左前方行駛，右墻迷失狀態(tài)狀態(tài)將會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向右前方行駛。直到某個(gè)傳感器觸發(fā)，將會(huì)返回到左側(cè)有墻或者右側(cè)有墻狀態(tài)。如果墻壁迷失狀態(tài)超過設(shè)定時(shí)間，沿墻行走行為將會(huì)徹底返回到開始狀態(tài)。此進(jìn)程和逃離等行為必須是并行操作。如圖1所示：

　　2．3 歸航行為

　　歸航行為試圖驅(qū)動(dòng)機(jī)器人到達(dá)某個(gè)光源位置。只要機(jī)器人的光電傳感器檢測到某個(gè)光源，機(jī)器人使自己對準(zhǔn)光源，然后再進(jìn)行前進(jìn)操作就能完成整個(gè)歸航過程。機(jī)器人對準(zhǔn)光源進(jìn)行快速調(diào)整由某個(gè)增益參數(shù)決定，而速度參數(shù)決定了機(jī)器人行駛過程的快速性能。 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，因此檢測不到紅外信標(biāo)的信號，此時(shí)應(yīng)觸發(fā)沿墻行走行為使機(jī)器人走到能檢測到信標(biāo)信號的房間再觸發(fā)歸航行為。如圖2所示。