智能機器人仿真系統設計分析

鄭秀麗 王輝

【摘要】近些年來，科學技術的發展水平日新月異，尤其是智能機器人的誕生與發展。目前，人們越來越關注智能機器人的發展，特別是機器人的仿真性。智能機器人的仿真系統，與機器人的傳感器信息融合性及控制的多樣性等因素有密切的聯系，要實現智能機器人的仿真系統建設，要利用數學建模的形式。因此，要從機器人的數學運動模型、機器人控制系統相關的傳感器自動控制和人工控制模塊等部分著手，從而實現機器人控制的真實場景。

【關鍵詞】智能機器人 仿真系統

【中圖分類號】TP242 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）02-0278-01

隨著遙測技術以及虛擬儀器的日趨成熟，智能機器人的發展也越來越完善。目前，機器人的科技水平越來越高，而且也越來越廣泛的應用到人們的日常生產和生活當中，因此人們對于智能機器人的要求也越來越高，尤其是其仿真性。從現狀來看，在進行智能機器人的仿真系統構建時，仍然存在一些不完善的地方。機器人的仿真仍然是構建數學模型及形式化仿真，而對機器人運動控制的動態和靜態特性尚無法準確把握。為了有效改善這一缺陷，本文將對智能機器人的仿真系統設計提出新的思路，以期可以使智能機器人的仿真性能夠得到更好的實現。

一、系統構成

仿真系統是由多個部分組成的，其中包括主控制界面、仿真界面、人工控制和智能控制模塊及障礙檢測系統等部分。而人工控制和智能控制模塊是其設計的重點。在系統當中，障礙檢測功能是必不可少的一項功能，障礙檢測所提供的數據會被作為機器人下一步行動的重要依據。而當人工控制模式運行時，障礙檢測功能雖然也會進行，但不會影響機器人的行動，這主要是為了將數據更加清晰的提供給控制者。主控制界面和仿真界面是分開的，這樣不但可以更加有利于機器人的控制，也能夠使外觀更加的美化。

二、Robotics機器人工具包

Lab VIEW Robotics是機器人開發的工具包，以Lab VIEW為基礎。Lab VIEW Robotics主要的作用是驅動機器人的執行器與傳感器，同時有利于更加復雜的導航。在Lab VIEW中，控制算法的設計對于軟件開發環境的要求是較低的。仿真系統的驅動程序由紅外遙感、激光雷達、GPS系統等內容構成。

一般來說，常見的結構體系為“感知—思考——行動”，Lab VIEW的數據流特性適用于機器人設計。在系統當中，傳感器可以被看作是其核心部分之一，可以使機器人進行環境的優化設計，進而通過決定性算法，從而控制機器人的行為。Lab VIEW Robotics使算法的設計更加簡便，例如A*算法，它能使自主系統的設計更加迅速。機器人根據環境作出應對決策，而其動作的開展需要動力系統的配合。Lab VIEW Robotics 2011中含有電機驅動，這種驅動模塊可以直接進行調用，從而使系統整合和驅動程序的開發時間得到節約，最終達到仿真任務。

三、機器人仿真系統的建立

要建立仿真系統，首先要建立一個基于向導的項目robotics project，而由開發者控制機器人的工程可以通過這個項目自動生成。同時，windows系統和機器人環境模擬器可作為項目的選擇類型。機器人的控制器可通過windows平臺平臺進行設計，包括PXI系統或筆記本電腦。開發人員要測試算法，必須通過機器人的環境模擬器進行，同時也可以通過這項內容來驗證機器人的結構。因此，為實現機器人的仿真，環境模擬器是十分重要的。最后，要將工程的文件名、仿真的實例名輸入，然后選擇特定的文件夾進行存儲[1]。

四、Lab VIEW仿真程序設計

1.仿真初始化模塊

為了實現仿真的初始化，首先要將機器人的各個組成部分進行信息的初始化。其作用主要是便于定義某些機器人仿真所必須的環境常量，除一些關鍵數據的連接外，一些連接可進行默認[2]。

①開始模擬器服務VI，將定義的仿真場景進行初始化。

②初始化模擬入門工具1.1VI，首先對機器人的ID進行分配，然后將模擬器仿真實例VI運行服務啟動，這樣可根據變化識別機器人。

③構建模擬機器人1.0轉向構架VI，這種轉向構架是一種入門工具，其對象是機器人。VIs實施機器人入門工具的轉向可通過轉向框架實現，構建的位置包括輪子等部分。

④掃描角度值的初始化，這個VI是在Lab VIEW Robotics安裝之后自帶的，這個VI在其函數面板上是找不到的，因此是公開的代碼源，而這種類型的VI也不在NI公司的服務范圍內，其版本也會有變動的可能性。初始化中含有一個子VI，用來實現角度至弧度的轉換，其公式為弧度=角度值A*pi/180[3]。

2.數據采集模塊

在仿真系統中，數據的采集是一項必不可少的程序，其重點采集的信息為環境信息，對信息進行分析之后作出相應行為。對仿真系統中的傳感器進行初始化，即可進行數據采集。而傳感器除了負責數據采集工作之外，還要進行障礙檢測，因此需要對電機進行控制，以便調整傳感器角度。而初始化從-65°到65°方向，步進值為4°。

3.人工/智能控制模塊

要實現智能控制模塊，就應該實現環境信息的采集、采集信息的處理及決策行動這些步驟。

（1）前進方向計算

根據障礙檢測結果，可通過矢量直方圖VI對檢測范圍、最大的距離和角度以及障礙安全距離進行定義。通過VFH測算最大安全距離與最近障礙信息。檢測到的最小障礙距離，要與常量0.35進行比較，若大于0.35則為假，反之則為真。

（2）穿越空隙

傳感器對障礙的空隙進行檢測之后，若不能通過，將重新對周圍環境進行檢測，如果機器人可以通過，那么機器人的系統將會計算前進的方向與速度，在計算時將會應用各項要素[4]，各項要素之間的關系為：

x_dot=0

y_dot=[（-2/pi）* |angle| + 1]* max forward velocity

theta_dot = [（2/pi）* angle]* max angular

4.機器人電機驅動模塊

機器人電機使用直流電，要對其速度VI的控制量進行設定。為使其速度值能夠適用于驅動電機，要對機器人兩側的馬達速度進行設定。其最大速度不能超過15.7rad/s。這個VI可以從整體上控制轉向架的速度以及方向，為機器人的入門工具。

五、結束語

當前，智能機器人的發展十分迅速，人們的生活中也越來越多的應用到智能機器人。目前，人們對智能機器人的要求越來越多的體現在對其仿真性的追求，為了使機器人的仿真系統更加完善，必須對各個組成部分的細節加以控制，本文所介紹的Lab VIEW Robotics 2011所構建的仿真系統，其交互界面、可操作性、分析功能等方面都具有不錯的效果，因此，細節的深化設計可作為智能機器人仿真系統設計的主要方向。

參考文獻：

[1]王南，賀娜.新型智能救援機器人的設計[J].煤礦機械，2015，（8）：163-165，166.

[2]謝光輝，楊治平，王光建.矢量場逐次迭代的人機身體交流控制[J].中國機械工程，2014，（17）：2337-2343.

[3]陽衛，陳進軍.語音信號去噪聲處理研究與仿真[J].軟件導刊，2017，（12）：155-157.

[4]黃萬永，屠大維，江濟良.基于VC平臺的服務機器人運動控制與仿真方法[J].機械制造，2014，（8）：30-34.

作者簡介：

鄭秀麗（1983—），女，講師，碩士，研究方向：機械設計制造技術，機電一體化技術。