移動機器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。它具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣（如輻射、有毒等）環(huán)境下作業(yè)和人所不及的（如宇宙空間、水下等）環(huán)境作業(yè)方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。移動機器人是一種在復雜環(huán)境下工作的，具有自行組織、自主運行、自主規(guī)劃的智能機器人，融合了計算機技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和機器人技術(shù)等。

　　移動機器人是當今學科研究的熱點之一，而控制算法在機器人領(lǐng)域中處于地位。目前，常用于移動機器人智能控制的算法主要有：PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。還有一些相對特殊的控制方法，譬如參考文獻中提及的基于風險評估的路徑規(guī)劃方案等。每種算法的原理不同，一般對外界信息的依賴性較大。若根據(jù)算法要求開發(fā)硬件平臺，其電路的設計、PCB板的制作以及電路的調(diào)試等一系列繁瑣的研發(fā)工作對算法的驗證將造成極大不便。Matlab提供的可視化界面環(huán)境GUI，其與VB相似的功能可以很方便地創(chuàng)建用戶界面形式。因此，本文利用Matlab GUI設計一種用于移動機器人路徑規(guī)劃的控制仿真平臺。

　1 系統(tǒng)控制體系組成

　　移動機器人的控制體系結(jié)構(gòu)定義為：一種能把多種模塊有機地結(jié)合起來，從而在環(huán)境中完成目標任務的機器人結(jié)構(gòu)框架。本系統(tǒng)主要完成未知環(huán)境下移動機器人的路徑規(guī)劃，所以系統(tǒng)設計了多個模塊構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。如圖1所示，控制體系主要包含的功能有：感知、定位模塊、路徑規(guī)劃、行為控制以及任務規(guī)劃。

1.1 傳感器模型

1.1.1 里程計與羅盤計

　　里程計用于測量移動機器人的行駛距離，主要由驅(qū)動輪內(nèi)側(cè)的碼盤信號計算出單個驅(qū)動輪角速度信息，從而根據(jù)運動學模型計算出行駛距離。羅盤計基于指南針原理，用于測量機器人的車身角度。

1.1.2 超聲波測距

　　超聲波測距原理采用時間差測距法，可表示為：

　　式中，D為超聲波傳感器與障礙物之間的距離，C為超聲波速度，？駐t為發(fā)射和接收之間的時間差。

1.2 移動機器人模型

1.2.1 機器人運動學模型

　　本設計研究的是雙輪差分驅(qū)動式移動機器人，由兩個驅(qū)動輪和一個隨動輪組成。兩驅(qū)動輪之間的軸間距離為d，驅(qū)動輪半徑為r，其軸間連線中點為M，坐標為（xM，yM），如圖2所示。

1.2.2 航姿推算定位法

    雙輪差分驅(qū)動式移動機器人的運動分為直線模式和弧線模式兩種，本設計采用相對簡單的直線模型。離散化航姿推算定位法形式為：

 

2 移動機器人仿真平臺建立

    本文利用Matlab GUI設計人機交互方式的二維平面環(huán)境模型，可以設置移動機器人的行駛環(huán)境大小、起點和終點，通過文本設計方法再加鼠標設置可以繪制障礙物區(qū)域。利用文本設置的行駛環(huán)境大小、起點與終點設置，障礙物相對簡單。鼠標設置相對復雜，需要響應鼠標事件。當鼠標左鍵單擊白色坐標軸有效范圍時，系統(tǒng)響應單擊事件記下個點的坐標值，然后鼠標劃過一段區(qū)域后釋放，系統(tǒng)響應釋放事件記下第二個點坐標值。通過兩點坐標值即可確定一個矩形障礙物。
    

3 建立模糊控制器

4 仿真

 　　本設計平臺對移動機器人的本身和行駛環(huán)境作如下假設：（1）車輪只能在地面上正常滾動，不發(fā)生側(cè)向滑動；（2）機器人在二維平面內(nèi)運動，運動表面平整。

　　對于隨機的未知環(huán)境，系統(tǒng)設置：X軸和Y軸的坐標顯示范圍為[-100，1000]。起點A（0，0），終點B（900，900）；機器人初始行駛角度為0；Δs為0.5。通過鼠標隨機繪制障礙物。點擊“運行”后，代替車體的半徑為8的圓點開始實現(xiàn)以目標點為向?qū)У谋苷闲袨椋@示出行為軌跡，結(jié)果如圖7所示。

    圖8所示為機器人車身角度變化示意圖，對照圖7，移動機器人在行駛過程中車身角度隨障礙物的隨機分布而變化。為了程序計算方便，角度一律取弧度值。

    本設計介紹了移動機器人的基本結(jié)構(gòu)和運動原理，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于Matlab GUI的移動機器人控制仿真平臺。將基于行為的模糊控制應用于機器人進行實時控制。仿真結(jié)果表明，移動機器人響應速度快，適應環(huán)境能力強，成功實現(xiàn)從起點到目標點的路徑規(guī)劃。

參考文獻:

[1]. PCB datasheet http://hbjingang.com/datasheet/PCB_1201640.html.