基于行為的智能吸塵機器人設(shè)計

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

其結(jié)合了機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現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的全自動清潔。集機械學、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能等諸多學科為一體。吸塵機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀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。目前國內(nèi)外在吸塵機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果，并有成品上市。雖然自主吸塵機器人已經(jīng)形成產(chǎn)品并推向了市場，但其性能還有待進一步提高。

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)：在進化過程中，人類永遠不會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)上進行添加，因此在每個人的大腦內(nèi)部都保留有類似于爬行動物的低級意識殘余。與此類似，采用基于行為的方法需要為機器人設(shè)計一系列簡單行為(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。具有很強的反射性：只要機器人對相關(guān)環(huán)境做出了判斷，就立即采取行動。一有信息就立即據(jù)此動作。

2行為設(shè)計

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，自始至終都會按照預(yù)先沒定好的模式運行。彈道式行為的整體規(guī)劃過程同實現(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誤(如噪聲假信號所導(dǎo)致的誤操作)，都會給機器人帶來麻煩，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的容錯性。 本文的行為采用有限狀態(tài)機(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)實現(xiàn)代碼。

2．1 巡航行為

巡航行為是最基本也是機器人最常使用的行為。該行為使2個驅(qū)動電動機輸出相同的轉(zhuǎn)速，機器人近似直線的向前方運動，直到其他行為觸發(fā)，當其他行為運行結(jié)束時，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器人在障礙物之間搜索路徑。特別是對于多個房間的環(huán)境來說，在門的附近進行一小段沿墻行走行為將使機器人更有機會進入其他的房間，所以機器人在遇到障礙物時，隔一段時間需要進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，使機器人在電量不足時能夠回到充電處進行充電，以保證任務(wù)能夠完成。實現(xiàn)機器人歸航行為的左右2個紅外信標接收器的性能不可能完全一致，當機器人通過比較傳感器輸出確定出自己直接面/對光源時，其實際朝向卻偏向光源的一測，機器人沿著某個螺旋線向著信標的位置前進。機器人前進的同時旋轉(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度。當機器人電量不足時，機器人未必處于充電的房間，因此檢測不到紅外信標的信號，此時應(yīng)觸發(fā)沿墻行走行為使機器人走到能檢測到信標信號的房間再觸發(fā)歸航行為。如圖2所示。

2．4 逃離行為

逃離行為能保護機器人避免發(fā)生危險，保證任務(wù)得以順利完成。機器人的旋轉(zhuǎn)角度是用來平衡系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)能力的一個重要參數(shù)。如果該值較大，那么機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；但機器人卻因此而喪失了尋找狹小通路的能力，嚴重限制了他在錯綜復(fù)雜的環(huán)境中進行自主導(dǎo)航的能力；如果角度比較小，機器人將會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則需反復(fù)多次才能成功，因此應(yīng)選擇隨機旋轉(zhuǎn)角度。如圖3所示。

智能吸塵機器人設(shè)計 2' height="218" />

2．5 防堵轉(zhuǎn)行為

永磁直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩同電流成正比。當電動機兩端施加電壓而電動機沒有旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)矩和電流達到最大值。如果機器人同某個障礙物發(fā)生碰撞，并且驅(qū)動輪同地面之間具有很大的摩檫力，那么驅(qū)動電動機將會處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，如果電動機具有最大電流，并且電流已經(jīng)持續(xù)了相對比較長的時間，那么表明機器人已經(jīng)同環(huán)境中的某個物體發(fā)生了碰撞。堵轉(zhuǎn)檢測傳感器只有當電動機在高電流狀態(tài)(高于某個閾值)下持續(xù)了一段時間才能斷定已發(fā)生碰撞的判斷(電機啟動會產(chǎn)生瞬間電流峰值)。