一種新型智能清潔機(jī)器人測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.3 避障算法描述

　　根據(jù)模糊控制思想并結(jié)合實(shí)際行走試驗(yàn)設(shè)計(jì)避障算法。以傳感器系統(tǒng)9路傳感器的檢測距離和障礙物所在的方位為模糊控制輸入量，以驅(qū)動輪的前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)和后退動作為模糊控制輸出量。超聲波傳感器檢測最小距離設(shè)定為15cm，距離遠(yuǎn)；紅外傳感器檢測距離為7cm，距離適中；接觸傳感器是在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙物，因此檢測距離最近。據(jù)此設(shè)距離信號(記作：D)的模糊語言集合為：

　　D＝{近，中，遠(yuǎn)}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，記作：

　　ND＝近，MD＝中，LD＝遠(yuǎn)

　　以各路傳感器在機(jī)器人上的安裝位置作為障礙物所在方位(記作：A)。超聲波傳感器安裝在正前方，在其左右兩邊依次是接觸傳感器、下方紅外傳感器和周邊紅外傳感器。則設(shè)方位信號的模糊語言集合為：

A＝{最左，較左，左，左下，中，右下，右，較右，最右}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，記作：

BL＝最左，ML＝較左，L＝左，LD＝左下，M＝中，R＝右，RD＝右下，MR＝較右，BR＝最右

　　設(shè)機(jī)器人驅(qū)動輪的動作集合為：

{右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，后退，減速，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語言變量，記作：

TR＝右轉(zhuǎn)，TRL＝稍微右轉(zhuǎn)，GB＝后退，SD＝減速，GA＝前進(jìn)，TLL＝稍微左轉(zhuǎn)，TL＝左轉(zhuǎn)

　　對于清潔機(jī)器人來說，在避障的同時，還要能夠?qū)η鍧崊^(qū)域進(jìn)行遍歷。在保證避障和遍歷的前提下，為了減少控制器的計(jì)算量并避免程序復(fù)雜化，本文采用逐一查詢方式獲得模糊控制量之一障礙物方位，根據(jù)障礙物方位即可獲得另一輸入量即機(jī)器人與障礙物間的距離。容易理解，采用逐一查詢方法意味著控制器獲得的障礙物信息來自于最先被傳感器系統(tǒng)檢測到的障礙物，而且控制器將根據(jù)最先獲得的障礙物信息來調(diào)用相應(yīng)的避障策略。因此，當(dāng)有2個或2個以上方位有障礙物時，執(zhí)行避障策略時機(jī)器人有可能與障礙物發(fā)生碰撞。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)左邊的最左、較左方位和右邊的最右、較右方位都有一個或2個發(fā)現(xiàn)障礙物時，才有可能導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞。為了避免這種情況發(fā)生，將機(jī)器人左右兩邊都發(fā)現(xiàn)障礙物的情況也作為一個障礙物方位變量，不論機(jī)器人左右2邊是同時發(fā)現(xiàn)一個還是2個障礙物，都僅設(shè)其模糊語言為左右，設(shè)定相應(yīng)的語言變量為LR。根據(jù)有利于避碰的原則，將障礙物方位信息的查詢順序確定為：

LD，RD，LR，M，BL，BR，ML，MR，L，R(左下，右下，左右，中，最左，最右，較左，較右，左，右)

　　從機(jī)器人有效避障并保證盡量少的重復(fù)先前行走軌跡的角度出發(fā)，當(dāng)確定了障礙物的方位和機(jī)器人離障礙物的距離后，我們希望模糊控制的輸出量不僅僅是機(jī)器人動作集合中某一種動作，而是集合里某幾種動作的合理組合。因此，針對不同方位的障礙物信息，對機(jī)器人左右驅(qū)動輪動作集合的7種動作 (TR，TRL，GB，SD，GA，TLL，TL)進(jìn)行合理組合，即得到相應(yīng)的合成輸出量，記作Fi(i＝1，2，3…)。根據(jù)前述方法，最終可歸納出 10種控制規(guī)則，即避障策略，如表2所示。

表2 控制規(guī)則表

　　按照障礙物方位信息的查詢順序，其形式是：

if(Ai and D)then Fi

　　i＝1，2，3…10

　　按照此種方法，在不影響機(jī)器人有效避障和相關(guān)功能的情況下，有效避障的控制規(guī)則大大減少，使避障算法簡單化。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺上對整個測控系統(tǒng)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)在一間約10m2的房間中進(jìn)行，在房間中隨機(jī)擺放幾件日常物品作為障礙物，將通過智能清潔機(jī)器人的行走實(shí)驗(yàn)，對本文所述的智能清潔機(jī)器人測控系統(tǒng)的軟硬件性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，智能清潔機(jī)器人始終保持直線行走，遇到障礙物時，根據(jù)障礙物信息選擇合適的避障策略避開障礙物，然后繼續(xù)保持直線行走，直到遇到下一個障礙物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)工作可靠，避障算法有效可行，智能清潔機(jī)器人能夠自動回避障礙物，可以在無人情況下自主工作，能夠?qū)崿F(xiàn)家居環(huán)境下的智能化清掃。

　　5 結(jié)束語

　　在智能清潔機(jī)器人測控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究中，設(shè)計(jì)信息量更加豐富的檢測系統(tǒng)，探討非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下機(jī)器人的導(dǎo)航和自主定位技術(shù)，尋找更加有效的路徑規(guī)劃和避障算法，將是研究的方向和重點(diǎn)。