《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)主要以超聲波測距為基本測距原理，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)測距。傳感器排列示意圖如下：d4d3d5d2d6d1d7d0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

2、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)開始初始化，開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)

3、動(dòng)作。具體的避障程序設(shè)計(jì)將在第 4 章進(jìn)行。超聲波測距原理測距原理：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超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight ）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲

4、波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即：8D=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得的距離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?；A(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)

5、行時(shí)實(shí)計(jì)算。應(yīng)用人工勢場法原理，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)作為虛擬勢場的方法來給機(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)過的角度，并時(shí)實(shí)檢測，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，可通過機(jī)器人與橫坐

6、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。(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?；A(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YN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

7、，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“人工勢場法”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，基于勢場的控制行為可以表示如下 。de = meLMmin R=Lde = -de0LR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

8、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)，可簡單認(rèn)為機(jī)器人周圍無障礙物，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 度來實(shí)現(xiàn)的，而非后退，所以，后方迫近程度值暫時(shí)無需設(shè)置。de = de0

9、FMmaxF 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，每兩步之間的時(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 0NF 是否大于 MmaxYR 是否大于等于 LN左轉(zhuǎn)角度 de右轉(zhuǎn)角度 deYL和 R是否都小于 MminNY數(shù)據(jù)出口 1R 是否大于等于 LYN左轉(zhuǎn)角度 de右轉(zhuǎn)角度 de

10、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

11、 * 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，檢測是否到達(dá)目的地。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)

12、的下一周期使用。依據(jù)上述各算法層之間的關(guān)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、仿真的編程技術(shù)，也是對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行規(guī)劃的過程中必不可少的一種技術(shù)。它將避障程序運(yùn)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，以檢測避障程序正確與否。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

13、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)過程”進(jìn)行排序，并在排序后設(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

14、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。程序開始放置障礙物測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)程序流程圖超聲波傳感器測距功能的模擬根據(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)境的軟件化過程中，傳感器測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

15、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Ma , b器朝向 w角 XeAx , yX 軸正方向障礙物機(jī)器人圖 機(jī)器人測距功能數(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，因此，可用 C 語

16、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?。寒?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*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

17、序的流程圖了。開始初始化，開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)化處理在對(duì)程序詳細(xì)設(shè)計(jì)的過程中，難免遇到一些難以表達(dá)，或表達(dá)不到位的地方，比如角度換算問題、障礙物放置個(gè)數(shù)問題以及虛擬超聲波的穿透測距問題。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)問題，而是“角度”與“弧度”的互換問題。在 C 程序中，有關(guān)正弦、余弦

18、、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=2弧度”，子程序中的處理如下：E=(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?？杀惠斎雸A的個(gè)數(shù)盡量多，可采

19、用循環(huán)輸入方式置障。在循環(huán)過程中，因無法限制輸入圓的個(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,&xbj,&ybj,&rbj,&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(xbj,ybj,rbj);n=j;虛擬超聲波的穿

20、透測距問題，在實(shí)際環(huán)境中，這是不可能發(fā)生的事情，但在程序中，計(jì)算機(jī)每次循環(huán)都需要對(duì)每個(gè)圓進(jìn)行測距，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;jpoij-1)poij=poij-1;min=poij;di=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)

21、理論上的疑難問題，而具體調(diào)試過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題將在第 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，程序中衡量長度的數(shù)據(jù)都以分米為單位。做好上述準(zhǔn)備后，就可以在環(huán)境下開始程序仿真了。為了對(duì)程序功能進(jìn)行全面的檢測，障礙物放置方法越多越好。下面，從簡入難對(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)

22、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。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，這可視為沒有成功到達(dá)目的地。可見，避障程序的循環(huán)周期過大了，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

23、。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。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

24、(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)添加障礙物來檢測機(jī)器人是否有避開多個(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)避障為了檢測機(jī)器人在進(jìn)行多重障礙物避障的行為過程中是否依然具有近距離選擇

25、，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。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，而是選擇了相對(duì)較短的路程，從障礙物中間穿過，并成功避開了障礙物，到達(dá)目的地，這說明，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

26、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)人工勢場法，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壁形障礙物，到達(dá)目的地，這再一次證明了程序的智能化。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)檢測到障礙物的傳感器的前一號(hào)傳

27、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)?，這種老方法在連續(xù)避障行為中，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)障礙物更具測試意義。對(duì)如果說，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試機(jī)器人是否會(huì)穿過小于自身直徑的間隙，可做如下仿真，模擬小間隙情況。