《小車自動(dòng)避障及路徑規(guī)劃》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《小車自動(dòng)避障及路徑規(guī)劃（23頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第3章 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理 該系統(tǒng)主要以超聲波測(cè)距為基本測(cè)距原理，并在相應(yīng)的硬件和軟件的支持下，達(dá)到機(jī)器人避障的效果。 機(jī)器人總體硬件設(shè)計(jì) 傳感器的分布要求 為了全方位檢測(cè)障物的分布狀況，并及時(shí)為機(jī)器人系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)， 可將所需的八個(gè)傳感器均勻排列在機(jī)器人周圍，相鄰每對(duì)傳感器互成 45 度角。為了避免相互干擾，八個(gè)傳感器以程序運(yùn)行周期為周期，進(jìn)行循環(huán)測(cè)距。傳感器排列示意圖如下： d4 d3 d5 d2 d6

2、 d1 d7 d0 圖 傳感器分布圖 避障系統(tǒng)總體電路框架圖設(shè)計(jì) 紅外傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換 左側(cè)電機(jī) 超聲波信號(hào) 右側(cè)電機(jī) 單 片 機(jī) LED顯示 LED顯示 圖 硬件設(shè)計(jì)總體框架圖 上圖為支持機(jī)器人運(yùn)行實(shí)用程序的硬件部分的總體設(shè)計(jì)框架圖，由負(fù)責(zé)相關(guān)任務(wù)的同學(xué)提供。在超聲波信號(hào)輸入單片機(jī)以后，由存儲(chǔ)在單片機(jī)中的主程序調(diào)用避障子程序，根據(jù)輸入信號(hào)執(zhí)行避障指令，并使相關(guān)數(shù)據(jù)返回

3、主程序，轉(zhuǎn)而提供給電機(jī)和 LED 顯示器的驅(qū)動(dòng)程序使用，最后，由電機(jī)執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，結(jié)果則顯示在 LED顯示器上。 避障系統(tǒng)總體軟件框架圖設(shè)計(jì) 開(kāi)始 初始化，開(kāi)中斷 有按鍵 鍵盤處理 按下鍵值 X 運(yùn)行紅外避障 運(yùn)行顯示處理 運(yùn)行超聲波避障 電機(jī)處理程序 輸出顯示 電機(jī)處理程序 結(jié)束返回 圖 軟件總體

4、框架圖 由上圖可知，本文作者負(fù)責(zé)的超聲波避障程序?yàn)檐浖傮w設(shè)計(jì)中的子程序部分。在主程序運(yùn)行過(guò)程中，若調(diào)用超聲波避障程序，機(jī)器人在自行軌跡規(guī)劃后，將程序處理所得數(shù)據(jù)送給電機(jī)處理成立程序，控制電機(jī)動(dòng)作。具體的避障程序設(shè)計(jì)將在第 4 章進(jìn)行。 超聲波測(cè)距原理 測(cè)距原理：超聲波是指頻率高于 20KHz 的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè) 手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓

5、電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電 能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 [8] 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（time of flight ）。首先測(cè)出超聲 波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的 聲源與障礙物之間的距離，即： [8] D=ct/2 其中 D 為傳感器與障礙物之間的距離，以 m 計(jì)， c 為超聲波速度，這里以 340m/s 計(jì)， t 為超聲波從發(fā)送到接收的總時(shí)間，以 s 計(jì)。據(jù)此原理可以用超聲 波傳感器測(cè)得的距離

6、為避障程序提供所需的數(shù)據(jù)。 [8] 第 4 章 軌跡規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)方案 軌跡規(guī)劃算法的層次化設(shè)計(jì) 根據(jù)上述材料分析，可以將機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)控制層、行為控制層和坐標(biāo)計(jì)算層，三個(gè)層次進(jìn)行。 基礎(chǔ)控制層設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)控制層可定義為基本行為層，這層算法的任務(wù)是尋找目標(biāo)點(diǎn)，并確保機(jī)器人可以順利到達(dá)指定目標(biāo)位。在確定目的地位置的情況下，為了達(dá)到上述目的，計(jì)算機(jī)必須對(duì)機(jī)器人的方位進(jìn)行時(shí)實(shí)計(jì)算。應(yīng)用人工勢(shì)場(chǎng)法原理，可以將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)為引力極，牽引機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。對(duì)此動(dòng)作建立相應(yīng)的模型，可以使用建立平面坐標(biāo)作為虛擬勢(shì)場(chǎng)的方

7、法來(lái)給機(jī)器人定義方位，將機(jī)器人關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)實(shí)偏角作為虛擬引力方向，以確定機(jī)器人下一步所需轉(zhuǎn)過(guò)的角度，并時(shí)實(shí) 檢測(cè)，是否已到達(dá)目的地，若已到達(dá)，則可認(rèn)為虛擬引力此刻為 0，并發(fā)出信號(hào)控制程序終止運(yùn)行總體程序。 由此，可確定基礎(chǔ)控制層所需的各參數(shù)： (1) 機(jī)器人的時(shí)實(shí)坐標(biāo) x, y 值，由專門的坐標(biāo)計(jì)算層提供，為了提高精確度，可以采用厘米為單位制。 (2) 機(jī)器人的速度 v，測(cè)量后設(shè)為定值使用。 (3) 周期 T，直接設(shè)置為定值使用。 (4) 偏轉(zhuǎn)角 de，可通過(guò)機(jī)器人與橫坐標(biāo)之間的夾角 pe，減去機(jī)器人到目標(biāo)點(diǎn)連線與橫坐標(biāo)的夾角 E 得到。

8、 (5) 終止信號(hào) last 值先置為 0，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地時(shí)，將其置為 1。 基礎(chǔ)控制層程序流程圖如下： 數(shù)據(jù)讀入 1 計(jì)算偏轉(zhuǎn)角 de 判斷是否到達(dá) 目標(biāo) 將 last 值置 Y N 數(shù)據(jù)輸出 2 圖 基本控制層程序流程圖 行為控制層 行為控制層是比基本控制層更復(fù)雜，更具有決定權(quán)的層次。它的存在決定了機(jī)器人智能避障行為的可行性，是相當(dāng)重要的算法層。其主要任務(wù)是讓機(jī)器人根據(jù)超聲波傳感

9、器采集的距離信息判斷是否該進(jìn)行避障行為，且給出避障的轉(zhuǎn)角值，及轉(zhuǎn)向。這些都以左右綜合距離的大小決定，當(dāng)左邊綜合距離大于友邊綜合距離時(shí)，可認(rèn)為左邊的斥力值大與右邊斥力值，機(jī)器人左轉(zhuǎn)，反之，右轉(zhuǎn)。當(dāng)前方綜合距離小于設(shè)定的最小允許接近距離，而左右綜合距離又相等時(shí)，則需要設(shè)置專門的轉(zhuǎn)角，對(duì)機(jī)器人施行強(qiáng)制性轉(zhuǎn)角動(dòng)作。 據(jù)此，可將各控制變量之間的關(guān)系以數(shù)學(xué)公式的形式列出，并做為“人工勢(shì)場(chǎng)法”的基本數(shù)學(xué)模型被運(yùn)用于程序流程圖設(shè)計(jì)。 設(shè)聲納 Si 的輸出為 di，轉(zhuǎn)角 de 和速度 v 表示控制層行為的輸出，其中 de 表示機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向， v 表示機(jī)器人下一步運(yùn)動(dòng)的速度。那么，基于勢(shì)場(chǎng)的

10、控制行為可以表示如下 。 de = me L=L de = -de0  L>R 上式中的 L 表示機(jī)器人左邊障礙物的迫近程度，根據(jù)圖 ：L 為第 1 號(hào)到第 3 號(hào)傳感器返回距離值的倒數(shù)和； R 表示機(jī)器人右邊障礙物的迫近程度，根據(jù) 圖 ： R 為第 5 號(hào)到第 7 號(hào)傳感器返回距離值的倒數(shù)和。 Mmin 為障礙物的最小 迫近程度值，相當(dāng)于第 L 組(或第 R 組 )超聲波傳感器最大探索范圍的倒數(shù)和。當(dāng) 左右迫近程度的值都小于最小迫近程度值時(shí)，可簡(jiǎn)單認(rèn)

11、為機(jī)器人周圍無(wú)障礙 物，機(jī)器人按基礎(chǔ)控制層執(zhí)行程序，其中的 me 表示機(jī)器人要到達(dá)目的地需要 轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 de0 表示機(jī)器人執(zhí)行行為控制層程序時(shí)，所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小， 一般可設(shè)為定值。 以上述方案為基礎(chǔ)，為了提高機(jī)器人的避障能力，還可對(duì)設(shè)置機(jī)器人的前 方迫近程度值 ,因?yàn)闄C(jī)器人的反轉(zhuǎn)是以轉(zhuǎn)角 180 度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而非后退，所以， 后方迫近程度值暫時(shí)無(wú)需設(shè)置。 de = de0  F>Mmax F 表示機(jī)器人前方距離值障礙物的迫近程度，根據(jù)圖： F 為第 4 號(hào)傳感器返 回距離值的倒數(shù)， Mmax 就是

12、用于判斷障礙物是否已經(jīng)離機(jī)器人很近，假設(shè)機(jī)器人的最大速度為 v，每?jī)刹街g的時(shí)間間隔為 t ，那么，為了確保機(jī)器人不會(huì) 與障礙物碰撞， Mmax 可以表示為速度 v 和間隔時(shí)間 t 乘積的倒數(shù)。當(dāng) F 值大于 Mmax 值時(shí)，表示前方距離障礙物很近了，需要進(jìn)行避障處理了 。 行為控制層程序流程圖如下： 數(shù)據(jù)讀入 0 N F 是否大于 Mmax Y R 是否大于等于 L N 左轉(zhuǎn)角度 de 右轉(zhuǎn)角度 de Y L和 R是否都

13、 小于 Mmin N Y 數(shù)據(jù)出口 1 R 是否大于等 于 L Y N 左轉(zhuǎn)角度 de 右轉(zhuǎn)角度 de 數(shù)據(jù)輸出 2 圖 行為控制層程序流程圖 坐標(biāo)計(jì)算層設(shè)計(jì) 坐標(biāo)計(jì)算層的設(shè)計(jì)方案，主要可采用虛擬坐標(biāo)技術(shù)，它能形象地定義機(jī)器人相對(duì)障礙物及目標(biāo)點(diǎn)的具體位置，確保機(jī)器人及時(shí)避障，并順利到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。 在機(jī)器人初始坐標(biāo)明確的條件下，機(jī)器人坐標(biāo)可根據(jù)上述兩層程序提供的 數(shù)據(jù)算得。設(shè)程序循環(huán)間隔的周期為 T，那么，在間隔周期 T 時(shí)間

14、內(nèi)，機(jī)器人 行走的距離 P 為速度 v 與 T 的乘積。 又設(shè)機(jī)器人正方向與平面坐標(biāo)橫軸正方向 的夾角為 pe ，其初始值確定，轉(zhuǎn)動(dòng)值為上述兩層提供的角度 de ，那么本周期 的 pe 值為上個(gè)周期的 pe 值與轉(zhuǎn)角 de 的差。由此，可分別計(jì)算機(jī)器人本周期內(nèi)橫、縱坐標(biāo)的變化值 X , Y。 X = P * cos ( pe ) Y = P * sin ( pe ) 因此，本周期的橫、縱坐標(biāo) x , y 值可由上個(gè)周期的坐標(biāo)減去變化值得到。 而本周期的坐標(biāo)值在行為控制層允許的情況下，將被代入基本行為層，檢測(cè)是否到達(dá)目的地。

15、坐標(biāo)計(jì)算層程序流程圖如下： 數(shù)據(jù)讀入 2 計(jì)算 P 計(jì)算 pe 計(jì)算本周期內(nèi)橫 、 縱坐標(biāo)變化值 X , Y 計(jì)算本周期內(nèi)橫 、 縱坐標(biāo)的值 x , y 數(shù)據(jù)輸出 0 圖 坐標(biāo)計(jì)算層程序流程圖 上述三層算法，相互制約，相互聯(lián)系，組成了整個(gè)系統(tǒng)的基本算法。每次循環(huán)執(zhí)行程序時(shí)，都是由行為控制層入口，通過(guò)對(duì)迫近程度值大小的判斷，選擇是否中斷行為控制層，轉(zhuǎn)而執(zhí)行基礎(chǔ)控制層。最后執(zhí)行坐標(biāo)計(jì)算層，并把所得數(shù)據(jù)提供傳給程序循環(huán)的下一周期使用。依據(jù)上述各算法層之間的關(guān)

16、系，可以組合出軌跡規(guī)劃子程序的總體程序流程圖，如下圖所示： 主程序調(diào)用 入口 0 行為控制層 數(shù)據(jù)接口 1 基礎(chǔ)控制層 數(shù)據(jù)接口 2 坐標(biāo)計(jì)算層 主程序調(diào)用 出口 0 圖 軌跡規(guī)劃子程序總體程序流程圖 機(jī)器人系統(tǒng)及環(huán)境的軟件化 硬件及環(huán)境的軟件化技術(shù)是一種脫離硬件及實(shí)際環(huán)境對(duì)程序進(jìn)行檢測(cè)、仿真的編程技術(shù)，也是對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中必不可少的一種技術(shù)。它將避障程序運(yùn)

17、行必需的硬件功能及環(huán)境影響，用擁有同樣功效的程序表達(dá)出來(lái)，以檢測(cè)避障程序正確與否。 1.以下便是支持避障程序運(yùn)行必需的各項(xiàng)硬件功能： (1) 測(cè)量 8 個(gè)超聲波傳感器與障礙物之間的距離。 (2) 系統(tǒng)停止調(diào)用避障子程序的功能。 (3) 機(jī)器人運(yùn)行軌跡的可視化功能。 2.以下可視為環(huán)境對(duì)程序的影響： (1)機(jī)器人運(yùn)行前，設(shè)置障礙物的大小及坐標(biāo)。 根據(jù)上述原理和各項(xiàng)需要模擬的功能，可以使用數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行軟件化編程。首先，需要對(duì)上述邏輯化步驟進(jìn)行排序。 因?yàn)闄C(jī)器人行為是一種仿人的行為，因此，可將上述功能及影響對(duì)應(yīng)相關(guān)的“神經(jīng)傳導(dǎo)過(guò)程”進(jìn)行排序，并在

18、排序后設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)程序流程圖。排序 及功能對(duì)應(yīng)的圖形如下： 環(huán)境識(shí)別功能  傳感器測(cè)距功能 神經(jīng)傳遞功能 行為決策功能 軌跡規(guī)劃子程序功能 行為動(dòng)作功能 神經(jīng)反射功能 行為動(dòng)作功能 行為動(dòng)作功能  停止調(diào)用子程序 軌跡可視化功能 圖 神經(jīng)傳導(dǎo)模型排序圖

19、圖中的“神經(jīng)傳遞功能”相當(dāng)于數(shù)據(jù)輸入功能，而“行為決策功能”相當(dāng)于偏角計(jì)算及算法層次選擇的功能， “行為動(dòng)作功能”則對(duì)應(yīng)機(jī)器人下步坐標(biāo)的確立過(guò)程?！吧窠?jīng)反射功能”的任務(wù)則是輸出必要數(shù)據(jù)，并判斷是否應(yīng)該結(jié)束循環(huán)。由這些功能組成模塊，正是機(jī)器人軌跡規(guī)劃子程序部分。 程序開(kāi)始 放置障礙物 測(cè)量障礙物距離 避障子程序 N 是否停止避 障子程序 Y 繪制機(jī)器人運(yùn)行軌跡 程序結(jié)束 圖 系統(tǒng)程

20、序流程圖 超聲波傳感器測(cè)距功能的模擬 根據(jù)圖給出的系統(tǒng)程序流程，可知，在機(jī)器人系統(tǒng)及環(huán)境的軟件化過(guò)程中，傳感器測(cè)距功能的模擬最為繁雜。 主要的解決思路是建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模型的具體分析，運(yùn)用幾何學(xué)知識(shí)計(jì)算超聲波傳感器與障礙物之間的距離值。為了方便計(jì)算，可用微分學(xué)將障礙物設(shè)為由多個(gè)已知坐標(biāo)和半徑的圓組成的任意形狀。而傳感器到障礙物之間的距離可參考以下幾何建模的方法計(jì)算得出： V 第4號(hào)傳感 M a , b 器朝向 w 角 Xe

21、 A x , y X 軸正方向 障礙物 機(jī)器人 圖 機(jī)器人測(cè)距功能數(shù)學(xué)模型圖 根據(jù)上圖分析可設(shè)機(jī)器人半徑為 r ，障礙物半徑為 R 。實(shí)線 M 就是需要求取的障礙物與第 i 號(hào)傳感器之間的距離。點(diǎn)劃線 A 是機(jī)器人中心與障礙物圓心的連線，它與 X 正方向的夾角記為 Ze 。第 i 號(hào)傳感器與第 4 號(hào)傳感器之間的夾角記為 Ke ，在圖上反映為實(shí)線 M 與第 4 號(hào)傳感器之間的夾角。 因?yàn)闄C(jī)器人圓心坐標(biāo) (x ,y)可由避障子程序求得，而障礙物圓心 (a ,b)又是已知值，

22、因此，可用 C 語(yǔ)言表示出 Ze 值。 Ze=atan2((b-y),(a-x)); 根據(jù)圖可知相鄰兩個(gè)超聲波傳感器的夾角為  45 度，那么，  Xe  的值可分為 兩種情況，分別求取： 當(dāng) i < 4 時(shí)，第 i 號(hào)傳感器在第 4 號(hào)傳感器左邊。 Xe = Ze-pe-(4-i)*45; 當(dāng) i >= 4 時(shí)，第 i 號(hào)傳感器在第 4 號(hào)傳感器右邊。 Xe = pe-Ze-(i-4)*45; 已知 Xe 值后，通過(guò)正余弦公式便可求得機(jī)器人與障礙物之間的距離 M 。 其 C 程序表達(dá)式如下： N=A

23、*sin(Xe); M = abs(A*cos(Xe))-sqrt(R*R-N*N)-r; 避障子程序與實(shí)用主程序的銜接組合 將中提及的三層算法整理到一起就可以組裝成實(shí)現(xiàn)避障行為的子程序。將該子程序代替圖的總體軟件框架中的“運(yùn)行超聲波避障”部分，就可構(gòu)成實(shí)用程序的流程圖了。 開(kāi)始 初始化，開(kāi)中斷 有按鍵 鍵盤處理 按下鍵值 X 運(yùn)行紅外避障 運(yùn)行顯

24、示處理 電機(jī)處理程序 輸出顯示 結(jié)束返回  主程序調(diào)用 入口 0 行為控制層 數(shù)據(jù)接口 1 基礎(chǔ)控制層 數(shù)據(jù)接口 2 坐標(biāo)計(jì)算層 主程序調(diào)用 出口 0 電機(jī)處理程序 圖 避障機(jī)器人運(yùn)行實(shí)用程序流程圖 難點(diǎn)程序化優(yōu)化處理

25、 在對(duì)程序詳細(xì)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，難免遇到一些難以表達(dá)，或表達(dá)不到位的地方，比如角度換算問(wèn)題、障礙物放置個(gè)數(shù)問(wèn)題以及虛擬超聲波的穿透測(cè)距問(wèn)題。 在避障子程序和仿真主程序中，大量使用了角度這一變量。為了表示機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)這一動(dòng)作，角度就必須帶上正負(fù)符號(hào)。當(dāng)然，真正需要注意的并不是角 度的符號(hào)問(wèn)題，而是“角度”與“弧度”的互換問(wèn)題。在 C 程序中，有關(guān)正弦、余弦、正切、余切及其反函數(shù)的計(jì)算，一般都是以弧度作為角的單位被使用的，因此，在角的單位處理上，需要特別留意。處理方法一般是根據(jù)“弧 度”和“角度”的關(guān)系式進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換， “ 360=2π弧度”，子程序中的處理如下： E=(

26、180*atan2(Y,X))/; /*機(jī)器人圓心到目標(biāo)點(diǎn)的連線與橫坐標(biāo) X 的夾角 */ dx=p*cos((pe*/180); /* 機(jī)器人每走一步，在橫坐標(biāo)上產(chǎn)生的變量值 */ dy=p*sin((pe*/18 0); /* 機(jī)器人每走一步，在 縱坐標(biāo)上產(chǎn)生的變量值 */ 障礙物的放置動(dòng)作，反映在仿真程序中，相當(dāng)于由調(diào)試人員輸入多個(gè)定坐標(biāo)和半徑的圓的動(dòng)作。為了確保可被輸入圓的個(gè)數(shù)盡量多，可采用循環(huán)輸入方式置障。在循環(huán)過(guò)程中，因無(wú)法限制輸入圓的個(gè)數(shù)，所以，必然會(huì)造成程序的 死循環(huán)。因此，必須給循環(huán)定義一個(gè)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。通?？梢栽谳斎氤绦颉?scanf” 中多加一個(gè)結(jié)束

27、控制變量 s，將 s 初值置為 0，當(dāng) s=0 時(shí)，循環(huán)繼續(xù)，當(dāng) s=1 時(shí)，跳出循環(huán)。子程序中的處理如下： for(j=0;s!=1;j++) { scanf("%f,%f,%f,%d",&xb[j],&yb[j],&rb[j],&s); /* 依次輸入圓心坐標(biāo)，圓的半 徑，循環(huán)結(jié)束控制信號(hào) s 的值 */ setcolor(RED); setfillstyle(SOLID_FILL,RED); circle(xb[j],yb[j],rb[j]); n=j; } 虛擬超聲波的穿透測(cè)距問(wèn)題，在實(shí)際環(huán)境中，這是不可能發(fā)生的事情，但在程序

28、中，計(jì)算機(jī)每次循環(huán)都需要對(duì)每個(gè)圓進(jìn)行測(cè)距，這是由程序的智能程度偏低造成的，也是不可避免的，為了得到真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，需要給原算法加上智能化較高的附加模塊。根據(jù)邏輯分析，當(dāng)同一傳感器得到多個(gè)返回值時(shí)，最 小的那個(gè)就是真實(shí)值。因此，可在原來(lái)算法的基礎(chǔ)上加上一段比較算法，得出最終真實(shí)值。子程序中的處理如下： for(i=0;i<=7;i++) /* 比較出每個(gè)傳感器返回值中的最小值，并作為傳感器的真實(shí)返回值，送入避障子程序處理 */ { for(j=1;j<=n;j++) { if(po[i][j]>po[i][j-1]) po[i][j]

29、=po[i][j-1]; min=po[i][j]; } d[i]=min; } 以上設(shè)計(jì)難點(diǎn)僅為詳細(xì)編程時(shí)碰到的幾個(gè)理論上的疑難問(wèn)題，而具體調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題將在第 5 章，給出相應(yīng)解決方案。 第 5 章 程序的仿真分析 仿真數(shù)據(jù)處理及分析 為了檢測(cè)避障程序能否正常運(yùn)行，必須對(duì)其進(jìn)行仿真處理。 在開(kāi)始仿真處理前，為了便于對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，首先需在仿真主程序中將機(jī)器人起點(diǎn)設(shè)置為黃色，目標(biāo)點(diǎn)設(shè)為紅色，障礙物為綠色，機(jī)器人自身設(shè)為藍(lán)色，這可以方便觀察、分析。為了提高仿真的精確度，程序中衡量長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)都

30、以分米為單位。 做好上述準(zhǔn)備后，就可以在環(huán)境下開(kāi)始程序仿真了。為了對(duì)程序功能進(jìn)行全面的檢測(cè)，障礙物放置方法越多越好。下面，從簡(jiǎn)入難對(duì)程序進(jìn)行仿真。 1. 對(duì)單障礙物阻擋的仿真 (1) 機(jī)器人左偏避障 以下圖形中黃色的圓代表機(jī)器人行動(dòng)的起點(diǎn)坐標(biāo)，其圓心坐標(biāo)為 （20，20），半徑為 20；藍(lán)色的圓組成的是機(jī)器人移動(dòng)的軌跡；綠色圓代表障礙物，其圓心坐標(biāo)為（ 150， 150），半徑為 50；紅色的圓代表目的地，圓心坐標(biāo)為（ 400， 400），半徑為 20。程序中設(shè)定的程序循環(huán)周期為 4 秒，速度為 10 分米每秒。

31、 圖 單障礙物環(huán)境下，機(jī)器人的左偏運(yùn)動(dòng) 根據(jù)對(duì)圖形中，不同顏色的圓的相對(duì)位置分析可知，機(jī)器人可以成功的以左偏方式避開(kāi)正前方的障礙物，但卻穿越了目的地限定的紅色區(qū)域，這可視為沒(méi)有成功到達(dá)目的地?？梢?jiàn)，避障程序的循環(huán)周期過(guò)大了，因 此，可將程序的循環(huán)周期改為 2 秒，從而可以得到較完美的圖形，圖顯示了程序改進(jìn)后的效果。

32、 圖單障礙物環(huán)境下，機(jī)器人的左偏運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)圖 (2) 機(jī)器人右偏避障 以修改后的上述仿真為基礎(chǔ)，保持起點(diǎn)圓和目的地圓的圓心坐標(biāo)及半 徑不變，以函數(shù)輸入的形式，重新調(diào)整障礙物的圓心坐標(biāo)及半徑大小，可得到仿真圖。 改動(dòng)后的障礙物圓心坐標(biāo)為（ 150，140），半徑為 50 分米。

33、 圖單障礙物環(huán)境下，機(jī)器人的右偏運(yùn)動(dòng) 從圖可看出機(jī)器人根據(jù)程序判斷出從右邊到目的地的距離比從左邊去短，并選擇了短距離避障的運(yùn)行方式。而且，機(jī)器人可以順利到達(dá)目的地。但圖中，機(jī)器人運(yùn)行軌跡仍有與障礙物接觸的點(diǎn)，表明程序循環(huán)周期依然過(guò)大，繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)效果在“機(jī)器人對(duì)雙障礙物的同側(cè)避障”圖中顯得較為可觀。 2. 對(duì)多障礙物阻擋情況的仿真 (1) 機(jī)器人對(duì)雙障礙物的同側(cè)避障 在保證起點(diǎn)和目的地圓心坐標(biāo)及半徑不變的條件下，可繼續(xù)添加障礙物來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是

34、否有避開(kāi)多個(gè)障礙的能力。 輸入一號(hào)障礙物圓心坐標(biāo)（ 150， 150），半徑 50 分米；二號(hào)障礙物圓心坐標(biāo)（ 300，300），半徑 50 分米。考慮到新加障礙物可能影響機(jī)器人行走的精確度，可將程序循環(huán)周期改為 1 秒，仿真后得到圖。 圖機(jī)器人對(duì)雙障礙物的同側(cè)避障 1 根據(jù)上圖中機(jī)器人的軌跡分析可知機(jī)器人擁有對(duì)多重障礙

35、物的避障功能，并可以按指令到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)然，這里的多重障礙物是非連續(xù)分布。 (2) 機(jī)器人對(duì)雙障礙物的異側(cè)避障 為了檢測(cè)機(jī)器人在進(jìn)行多重障礙物避障的行為過(guò)程中是否依然具有近 距離選擇，這一智能行為，可繼續(xù)改變障礙物的位置分布狀況。 入一號(hào)障礙物圓心坐標(biāo)（ 150，150），半徑 50 分米；二號(hào)障礙物圓心坐標(biāo)（ 250， 150），半徑 50 分米。仿真后，生成下圖。

36、 圖機(jī)器人對(duì)雙障礙物的異側(cè)避障 觀察圖，可發(fā)現(xiàn)機(jī)器人并不是從兩個(gè)障礙物的同側(cè)饒過(guò)，而是選擇了相對(duì)較短的路程，從障礙物中間穿過(guò)，并成功避開(kāi)了障礙物，到達(dá)目的地，這說(shuō)明，在該程序的支持下，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能化較高的避障處理方式了。 (3) 機(jī)器人對(duì)壁形障礙物的避障 在機(jī)器人運(yùn)行起點(diǎn)和目的地之間，放置一串圓心在同一直線上，半徑相 同的圓形障礙物，組成壁形進(jìn)行仿真，這樣可測(cè)試機(jī)器人對(duì)連續(xù)障礙物的避障行為。根據(jù)壁形障礙物與機(jī)器人相對(duì)位置的多樣性，可做出如下兩種不同的仿真。當(dāng)壁形障礙物與起點(diǎn)到目的地的連線成任意不垂

37、直的角度時(shí)，這時(shí)，由于機(jī)器人左右迫近程度的不同，機(jī)器人將按照最短路徑行走，如圖；當(dāng)壁形障礙物與起點(diǎn)到目的地的連線垂直，且左右迫近程度相同時(shí)，根據(jù)人工勢(shì)場(chǎng)法，機(jī)器人只能根據(jù)在該情況下設(shè)定的程序，選擇固定角度運(yùn)行。如圖。 圖機(jī)器人對(duì)壁形障礙物的避障 1 從上圖可直觀地看出，機(jī)器人再次以最短路徑繞過(guò)壁形障礙物，到達(dá)目的地，這再一次證

38、明了程序的智能化。 圖 機(jī)器人對(duì)壁形障礙物的避障 2 從圖觀察到，機(jī)器人在避障程序的指導(dǎo)下，繞過(guò)障礙物，在每個(gè)程序循 環(huán)周期中，其運(yùn)行方向都是與從第 0 號(hào)傳感器算起，第一個(gè)檢測(cè)到障礙物 的傳感器的前一號(hào)傳感器朝向是一致的。之所以，不使用每個(gè)程序循環(huán)周 期轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度的老方法，是因?yàn)椋@種老方法在連續(xù)避障行為

39、中，可能 出現(xiàn)死循環(huán)。若這還不夠證明該程序避障的智能性，可繼續(xù)進(jìn)行更復(fù)雜的 仿真。 (4) 機(jī)器人在半包圍式障礙物內(nèi)的避障 基于以上仿真原理排列出的半包圍結(jié)構(gòu)障礙物更具測(cè)試意義。對(duì)如果 說(shuō)，機(jī)器人對(duì)壁形障礙物避障仿真的成功證明了機(jī)器人具有躲避平面墻的功能，那么，在半包圍障礙物環(huán)境下的避障仿真則證明了機(jī)器人具有躲避垂直形墻角的功能，是在前一種仿真基礎(chǔ)上的進(jìn)步，也表明，該程序支持的機(jī)器人初步具有從房形障礙物中繞轉(zhuǎn)出來(lái)能力。仿真圖如下： 圖機(jī)器人在半包圍式障礙物內(nèi)的避障 上圖顯示的機(jī)器人成功躲避開(kāi)障礙物，并順利到達(dá)目的地。 (5) 機(jī)器人關(guān)于前方兩邊障礙物之間距離小于機(jī)器人直徑的多障礙物避障 為了測(cè)試機(jī)器人是否會(huì)穿過(guò)小于自身直徑的間隙，可做如下仿真，模擬小間隙情況。