摘 要： 從理論上分析了機器人控制系統和檢測外部環境的傳感器，并在該基礎上闡述了航姿推算定位算法。利用Matlab GUI設計了移動機器人的控制仿真平臺，并通過算法對超聲波測距進行了模擬。最后，設計模糊控制器應用于該仿真平臺對移動機器人進行實時控制。仿真結果表明，在非結構化的未知環境中，系統響應速度快，實現了機器人從起點到靜態目標點的安全行駛。
關鍵詞： 移動機器人；仿真；模糊控制
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域中處于核心地位。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、神經網絡控制等[1-2]。還有一些相對特殊的控制方法，譬如參考文獻[3]中提及的基于風險評估的路徑規劃方案等。每種算法的原理不同，一般對外界信息的依賴性較大。若根據算法要求開發硬件平臺，其電路的設計、PCB板的制作以及電路的調試等一系列繁瑣的研發工作對算法的驗證將造成極大不便[4]。Matlab提供的可視化界面環境GUI，其與VB相似的功能可以很方便地創建用戶界面形式。因此，本文利用Matlab GUI設計一種用于移動機器人路徑規劃的控制仿真平臺。
1 系統控制體系組成
移動機器人的控制體系結構定義為：一種能把多種模塊有機地結合起來，從而在環境中完成目標任務的機器人結構框架。本系統主要完成未知環境下移動機器人的路徑規劃，所以系統設計了多個模塊構成整個控制系統。如圖1所示，控制體系主要包含的功能有：感知、定位模塊、路徑規劃、行為控制以及任務規劃。
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，主要由驅動輪內側的碼盤信號計算出單個驅動輪角速度信息，從而根據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動式移動機器人，由兩個驅動輪和一個隨動輪組成。兩驅動輪之間的軸間距離為d，驅動輪半徑為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境模型[5]，可以設置移動機器人的行駛環境大小、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域。利用文本設置的行駛環境大小、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，系統響應單擊事件記下第一個點的坐標值，然后鼠標劃過一段區域后釋放，系統響應釋放事件記下第二個點坐標值。通過兩點坐標值即可唯一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境作如下假設：(1)車輪只能在地面上正常滾動，不發生側向滑動；(2)機器人在二維平面內運動，運動表面平整。
對于隨機的未知環境，系統設置：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的圓點開始實現以目標點為向導的避障行為，并顯示出行為軌跡，結果如圖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構和運動原理，并在此基礎上實現了基于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。仿真結果表明，移動機器人響應速度快，適應環境能力強，成功實現從起點到目標點的路徑規劃。
參考文獻
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[2] 張洪宇，徐昕，張鵬程，等.雙輪驅動移動機器人的學習控制器設計方法[J].計算機應用研究，2009，26(6)：2310-2313.
[3] 高揚，孫樹棟，黃偉峰.一種未知環境下的快速路徑規劃方法[J].計算機應用研究，2009，26(7)：2623-2626.
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