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　　摘要：本文在結(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zui有效的行為搭配構(gòu)建了整個系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的工作效率較傳統(tǒng)的隨機(jī)覆蓋有了很大的提高。 

        前言

        吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的一個新產(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現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的全自動清潔。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。
　　
　　　　
　  1、基于行為
　　
　　RodneyBrooks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)不會喪失比較低級的和原始的大腦工程，而功能則在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)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(jī)器人整體行為。系統(tǒng)的行為并不是*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。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(jī)器人帶來麻煩，導(dǎo)致*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)的容錯性。本文的行為采用有限狀態(tài)機(jī)(FinitestateMachine，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
　　
　　巡航行為是一種zui簡單的預(yù)定義行為，該行為具有兩個參數(shù)：左輪速度和右輪速度。在每個運動時步內(nèi)，巡航行為都要求左右兩個驅(qū)動輪的速度被設(shè)定為值！
　　
　　2．2沿墻行走行為
　　
　　機(jī)器人借助左右兩個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，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)將會驅(qū)動機(jī)器人向左前方行駛，右墻迷失狀態(tài)狀態(tài)將會驅(qū)動機(jī)器人向右前方行駛。直到某個傳感器觸發(fā)，將會返回到左側(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)定時間，沿墻行走行為將會*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)動機(jī)器人到達(dá)某個光源位置。只要機(jī)器人的光電傳感器檢測到某個光源，機(jī)器人使自己對準(zhǔn)光源，然后再進(jìn)行前進(jìn)操作就能完成整個歸航過程。機(jī)器人對準(zhǔn)光源進(jìn)行快速調(diào)整由某個增益參數(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，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。　　
　　2．4逃離行為
　　
　　逃離行為時一種彈道式行為，執(zhí)行三步操作：后退，旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)。該行為具有三個參數(shù)，分別對應(yīng)三步操作的執(zhí)行時間長度：t-backup，t-spin，t-forward。逃離行為以有限狀態(tài)機(jī)的方式實現(xiàn)，每個操作對應(yīng)行為的一個狀態(tài)，因此，行為的命令請求*取決于行為的狀態(tài)。當(dāng)行為進(jìn)入某個狀態(tài)的時候，開始為該狀態(tài)進(jìn)行計時；一旦經(jīng)過了的時間，該行為就會轉(zhuǎn)換到下一個狀態(tài)。
　　
　　逃離行為的初始狀態(tài)為開始狀態(tài)start，此逃離行為不會執(zhí)行任何操作，直到機(jī)器人與某物體發(fā)生碰撞后，該狀態(tài)轉(zhuǎn)換為后退狀態(tài)back-up，經(jīng)過t-backup后，后退狀態(tài)結(jié)束，行為開始進(jìn)入左轉(zhuǎn)spin-lift或者右轉(zhuǎn)spin-right狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都能夠控制機(jī)器人向相應(yīng)的方向進(jìn)行t-spin秒的原地旋轉(zhuǎn)操作。當(dāng)旋轉(zhuǎn)完成后，此時，機(jī)器人將會執(zhí)行t-forward秒的前進(jìn)操作，然后返回至開始狀態(tài)。如圖3所示。　　
　　2．5防堵轉(zhuǎn)行為
　　
　　在增益參數(shù)為正值的情況下，蔽障行為能夠在右側(cè)紅外接近傳感器的感知信號有效的控制機(jī)器人向左前方行駛；反之相同。按照這種工作方式，蔽障行為能夠使機(jī)器人避開所遇到的障礙物。如果增益參數(shù)的值為負(fù)值，機(jī)器人將會向正對障礙物的方向行駛。增益參數(shù)g的幅值大小決定了機(jī)器人運行軌跡的曲率半徑大小。
　　
　　2．6防靜止行為
　　
　　虛擬靜止檢測傳感器只要通過軟件實現(xiàn)即可。機(jī)器人在運動時各傳感器的輸出信息都可能在不停地變化，而一旦停止運動，所有傳感器的輸出信息都將保持不變。
　　
　　機(jī)器人的功能和運行方式?jīng)Q定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。　　
　　2．8差速驅(qū)動
　　
　　差速驅(qū)動底盤通過控制2個驅(qū)動輪之間的運動差異來控制機(jī)器人的整體運動。無論多么復(fù)雜的運動都可以分解為平移運動和原地旋轉(zhuǎn)運動。圖5為差速驅(qū)動模型，描述了2個驅(qū)動輪的速度同機(jī)器人曲率半徑之間的關(guān)系，曲率半徑為rL=VLW／(VR一VL)。當(dāng)兩個驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)速度*相同時．半徑rL的值將趨于無窮大，此時機(jī)器入沿直線行駛的過程可以理解為機(jī)器人沿某個半徑為無窮大的圓的旋轉(zhuǎn)過程；當(dāng)左輪速度為O時，rL等于0，機(jī)器人將會圍繞左輪進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)操作，此時vL=v，Vr=wW+v；當(dāng)左右2個輪子的速度相同而符號相反時，機(jī)器人將會圍繞著自己的中心位置進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)(rL=w／2)。差速驅(qū)動機(jī)器人可以圍繞2個驅(qū)動輪軸心連線上的任意一點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作(包括機(jī)器人本體外的點)。負(fù)半徑表示機(jī)器人沿弧線方向逆時針行駛；正半徑方向表示沿弧線方向順時針行駛。
　　
　　3、仲裁器設(shè)計
　　
　　在某個時刻僅有一個行為觸發(fā)，系統(tǒng)能夠比較平穩(wěn)地運行。但當(dāng)多個行為同時觸發(fā)，并且每個行為都需要機(jī)器人執(zhí)行不同的操作時，機(jī)器人就需要利用仲裁機(jī)制來妥善處理這種關(guān)系。這里采用固定優(yōu)先級仲裁，每個行為都被惟一地賦予一個優(yōu)先級值，沖突發(fā)生時，執(zhí)行優(yōu)先級高的行為。行為在發(fā)出控制請求后，需要知道自己是否已經(jīng)得到仲裁器的批準(zhǔn)。仲裁器帶有一定的輸出，每個行為都賦予一個惟一標(biāo)識符(ID：Identifer)。仲裁器輸出仲裁獲勝行為的標(biāo)識符。每個行為通過將自己的標(biāo)識符同仲裁器輸出相比較，能夠確定出自己是否已經(jīng)擁有了對仲裁資源的控制權(quán)。
　　
　　機(jī)器人在運行時，環(huán)境存在很多不可控因素，機(jī)器人的實際運行方式與所期望的有很大差異，有時傳感器*失效，有時在信息檢測過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏報和誤報錯誤(漏報是指當(dāng)環(huán)境中存在某種傳感器應(yīng)該能夠檢測到的信息時，傳感器卻檢測不到；誤報則是指傳感器所檢測到的信息在環(huán)境中是不存在或不正確的)。盡管在重要信息損失或者運動控制命令變質(zhì)的情況下，性能會受到一定程度的影響，機(jī)器人程序也應(yīng)該能夠盡其可能地做到，而不是**地癱瘓。在子系統(tǒng)發(fā)生錯誤或者工作失敗的情況下，系統(tǒng)這種能夠降低水準(zhǔn)繼續(xù)工作的能力被稱為優(yōu)雅降級。本文設(shè)計的機(jī)器人具有完善的優(yōu)雅降級功能。在碰撞傳感器失效的情況下，防堵轉(zhuǎn)和防靜止行為將保證機(jī)器人繼續(xù)完成任務(wù)。
　　
　　4、機(jī)器人仿真及分析
　　
　　對以上提出的基于行為吸塵機(jī)器人設(shè)計方案進(jìn)行仿真，機(jī)器人采用隨機(jī)覆蓋的模式，不知道自己的具體位置，因此不可避免地會再次訪問已訪問過的某個區(qū)域。機(jī)器人的覆蓋率=(1-e-t/a)其中，f為時間變量；a為一時間常數(shù)。表明了機(jī)器人在不訪問舊區(qū)域的情況下進(jìn)行確定性覆蓋所花費的時間。通過實驗仿真運行情況來看，本文的設(shè)計方案*可以滿足要求。雖然隨機(jī)覆蓋方法沒有確定性覆蓋的低重復(fù)性，但他卻能避免確定性覆蓋所帶來的價格、復(fù)雜性以及系統(tǒng)脆弱性問題。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　　由于機(jī)器人的行為不同，不采用價格昂貴的單一類型傳感器去獲取難以達(dá)到的精度和可靠性，而是綜合使用多個可靠性相對來說比較差一些的傳感器系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)之間的優(yōu)勢互補(bǔ)使機(jī)器人具有更強(qiáng)的魯棒性。