智能吸塵機器人設計方案

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

　　其結合了機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)現家庭、賓館、寫(xiě)字樓等室內環(huán)境的全自動(dòng)清潔。雖然自主吸塵機器人已經(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。

作者在結合傳統的行為技術(shù)和傳感器技術(shù)的基礎上，選取最有效的行為搭配構建了整個(gè)系統，使整個(gè)系統的工作效率較傳統的隨機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構表明了基于行為的編程方法的正式起源。包容式結構：在進(jìn)化過(guò)程中，人類(lèi)永遠不會(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上進(jìn)行添加，因此在每個(gè)人的大腦內部都保留有類(lèi)似于爬行動(dòng)物的低級意識殘余。與此類(lèi)似，采用基于行為的方法需要為機器人設計一系列簡(jiǎn)單行為(所謂的行為也就是通過(guò)感知信息控制執行過(guò)程的算法)，這些行為相互協(xié)調和協(xié)作，產(chǎn)生所需求的機器人整體行為。系統的行為并不是完全確定的，而是包含了很多隨機的東西。執行過(guò)程并不十分穩定，但系統的整體行為是非常穩定的?；谛袨榈臋C器人將盡可能地將傳感器信息同執行過(guò)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(dòng)。一有信息就立即據此動(dòng)作。

　　2 行為設計

　　行為分為2種類(lèi)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 )按照預先沒(méi)定好的模式運行。彈道式行為的整體規劃過(guò)程同實(shí)現程序代碼密切相關(guān)，執行過(guò)程中的環(huán)境變化或者行為初始化過(guò)程中的任何微小錯誤(如噪聲假信號所導致的誤操作)，都會(huì )給機器人帶來(lái)麻煩，導致徹底失效。伺服行為具有良好的抗噪聲能力，對工作過(guò)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，FSM)使能夠更方便地理解系統工作過(guò)程，從而可以容易地編寫(xiě)系統實(shí)現代碼。

　　2．1 巡航行為

　 巡航行為是一種最簡(jiǎn)單的預定義行為，該行為具有兩個(gè)參數：左輪速度和右輪速度。在每個(gè)運動(dòng)時(shí)步內，巡航行為都要求左右兩個(gè)驅動(dòng)輪的速度被設定為指定值！　　

2．2 沿墻行走行為

　　機器人借助左右兩個(gè)紅外接近覺(jué)傳感器能夠執行沿墻行走操作。它與逃離行為非常相似，它也起始于開(kāi)始狀態(tài)start，并且保持該狀態(tài)，直到左側或者右側物體接觸到接近覺(jué)傳感器，該行為就會(huì )進(jìn)入左側有墻狀態(tài)或者右側有墻狀態(tài)。然后控制機器人向左或者向右行駛。當執行有墻狀態(tài)沿曲線(xiàn)前進(jìn)時(shí)，如果轉向太大以至于相應的接近覺(jué)傳感器不再能檢測到物體，那么機器人將進(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 )驅動(dòng)機器人向左前方行駛，右墻迷失狀態(tài)狀態(tài)將會(huì )驅動(dòng)機器人向右前方行駛。直到某個(gè)傳感器觸發(fā)，將會(huì )返回到左側有墻或者右側有墻狀態(tài)。如果墻壁迷失狀態(tài)超過(guò)設定時(shí)間，沿墻行走行為將會(huì )徹底返回到開(kāi)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

　　歸航行為試圖驅動(dòng)機器人到達某個(gè)光源位置。只要機器人的光電傳感器檢測到某個(gè)光源，機器人使自己對準光源，然后再進(jìn)行前進(jìn)操作就能完成整個(gè)歸航過(guò)程。機器人對準光源進(jìn)行快速調整由某個(gè)增益參數決定，而速度參數決定了機器人行駛過(guò)程的快速性能。 機器人前進(jìn)的同時(shí)旋轉，旋轉角度ω=k(L一R)，其中k為增益參數；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(shí)，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(shí)應觸發(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。