摘 要： 從理論上分析了機器人控制系統(tǒng)和檢測外部環(huán)境的傳感器，并在該基礎(chǔ)上闡述了航姿推算定位算法。利用Matlab GUI設(shè)計了移動機器人的控制仿真平臺，并通過算法對超聲波測距進(jìn)行了模擬。最后，設(shè)計模糊控制器應(yīng)用于該仿真平臺對移動機器人進(jìn)行實時控制。仿真結(jié)果表明，在非結(jié)構(gòu)化的未知環(huán)境中，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，實現(xiàn)了機器人從起點到靜態(tài)目標(biāo)點的安全行駛。
關(guān)鍵詞： 移動機器人；仿真；模糊控制
移動機器人是當(dāng)今學(xué)科研究的熱點之一，而控制算法在機器人領(lǐng)域中處于核心地位。目前，常用于移動機器人智能控制的算法主要有：PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[1-2]。還有一些相對特殊的控制方法，譬如參考文獻(xiàn)[3]中提及的基于風(fēng)險評估的路徑規(guī)劃方案等。每種算法的原理不同，一般對外界信息的依賴性較大。若根據(jù)算法要求開發(fā)硬件平臺，其電路的設(shè)計、PCB板的制作以及電路的調(diào)試等一系列繁瑣的研發(fā)工作對算法的驗證將造成極大不便[4]。Matlab提供的可視化界面環(huán)境GUI，其與VB相似的功能可以很方便地創(chuàng)建用戶界面形式。因此，本文利用Matlab GUI設(shè)計一種用于移動機器人路徑規(guī)劃的控制仿真平臺。
1 系統(tǒng)控制體系組成
移動機器人的控制體系結(jié)構(gòu)定義為：一種能把多種模塊有機地結(jié)合起來，從而在環(huán)境中完成目標(biāo)任務(wù)的機器人結(jié)構(gòu)框架。本系統(tǒng)主要完成未知環(huán)境下移動機器人的路徑規(guī)劃，所以系統(tǒng)設(shè)計了多個模塊構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。如圖1所示，控制體系主要包含的功能有：感知、定位模塊、路徑規(guī)劃、行為控制以及任務(wù)規(guī)劃。
1.1 傳感器模型
1.1.1 里程計與羅盤計
里程計用于測量移動機器人的行駛距離，主要由驅(qū)動輪內(nèi)側(cè)的碼盤信號計算出單個驅(qū)動輪角速度信息，從而根據(jù)運動學(xué)模型計算出行駛距離。羅盤計基于指南針原理，用于測量機器人的車身角度。
1.1.2 超聲波測距
超聲波測距原理采用時間差測距法，可表示為：
式中，D為超聲波傳感器與障礙物之間的距離，C為超聲波速度，?駐t為發(fā)射和接收之間的時間差。
1.2 移動機器人模型
1.2.1 機器人運動學(xué)模型
本設(shè)計研究的是雙輪差分驅(qū)動式移動機器人，由兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪組成。兩驅(qū)動輪之間的軸間距離為d，驅(qū)動輪半徑為r，其軸間連線中點為M，坐標(biāo)為(xM，yM)，如圖2所示。
1.2.2 航姿推算定位法
雙輪差分驅(qū)動式移動機器人的運動分為直線模式和弧線模式兩種，本設(shè)計采用相對簡單的直線模型。離散化航姿推算定位法形式為：
2 移動機器人仿真平臺建立
本文利用Matlab GUI設(shè)計人機交互方式的二維平面環(huán)境模型[5]，可以設(shè)置移動機器人的行駛環(huán)境大小、起點和終點，通過文本設(shè)計方法再加鼠標(biāo)設(shè)置可以繪制障礙物區(qū)域。利用文本設(shè)置的行駛環(huán)境大小、起點與終點設(shè)置，障礙物相對簡單。鼠標(biāo)設(shè)置相對復(fù)雜，需要響應(yīng)鼠標(biāo)事件。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵單擊白色坐標(biāo)軸有效范圍時，系統(tǒng)響應(yīng)單擊事件記下第一個點的坐標(biāo)值，然后鼠標(biāo)劃過一段區(qū)域后釋放，系統(tǒng)響應(yīng)釋放事件記下第二個點坐標(biāo)值。通過兩點坐標(biāo)值即可唯一確定一個矩形障礙物。
3 建立模糊控制器
4 仿真
本設(shè)計平臺對移動機器人的本身和行駛環(huán)境作如下假設(shè)：(1)車輪只能在地面上正常滾動，不發(fā)生側(cè)向滑動；(2)機器人在二維平面內(nèi)運動，運動表面平整。
對于隨機的未知環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)置：X軸和Y軸的坐標(biāo)顯示范圍為[-100，1000]。起點A(0，0)，終點B(900，900)；機器人初始行駛角度為0；Δs為0.5。通過鼠標(biāo)隨機繪制障礙物。點擊“運行”后，代替車體的半徑為8的圓點開始實現(xiàn)以目標(biāo)點為向?qū)У谋苷闲袨?，并顯示出行為軌跡，結(jié)果如圖7所示。
圖8所示為機器人車身角度變化示意圖，對照圖7，移動機器人在行駛過程中車身角度隨障礙物的隨機分布而變化。為了程序計算方便，角度一律取弧度值。
本設(shè)計介紹了移動機器人的基本結(jié)構(gòu)和運動原理，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于Matlab GUI的移動機器人控制仿真平臺。將基于行為的模糊控制應(yīng)用于機器人進(jìn)行實時控制。仿真結(jié)果表明，移動機器人響應(yīng)速度快，適應(yīng)環(huán)境能力強，成功實現(xiàn)從起點到目標(biāo)點的路徑規(guī)劃。
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