運用計算機仿真技術對泳池清潔機器人進行優(yōu)化

計算機仿真計算機仿真是應用電子計算機對系統(tǒng)的結構、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過程和行為進行動態(tài)性比較逼真的模仿。它是一種描述性技術，是一種定量分析方法。通過建立某一過程和某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標，為決策者提供有關這一過程或系統(tǒng)得定量分析結果，作為決策的理論依據(jù)。仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現(xiàn)實世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。仿真技術的應用領域及其作用越來越大，在復雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，計算機仿真是一種必不可少的工具，并在減少損失、節(jié)約經費、縮短開發(fā)周期、提高質量等方面發(fā)揮了巨大作用。因此，在泳池清潔機器人的設計過程中，運用計算機仿真技術對路徑規(guī)劃算法和機體主要參數(shù)的選擇進行了探索與嘗試。

1 泳池清潔機器人的功能與需要優(yōu)化問題

我國是缺水型國家，如何保護、利用好水資源是無法回避的問題。本文研究的泳池清潔機器人是一種高效的水下清潔設備，主要用于清潔游泳池底部及水中的污物。該機器人用程序控制，在無人看管的情況下，自動對泳池的底部進行刷洗，同時對池水進行持續(xù)、細致的過濾；除去水中的沉淀物及細菌；保持池水的清潔與衛(wèi)生；延長更換池水的時間；從而達到既減輕了繁重的體力勞動、又節(jié)約了寶貴水資源的目的。智能清掃機器人1、掃地省時、省力：整個清潔過程不需要人控制，減輕您操作負擔，省下時間看電視、陪家人。2、低噪音：小于50分貝，清潔房間的過程免受噪音之苦。3、凈化空氣：內置活性碳、吸附空氣中有害物質。4、輕便小巧：輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。

泳池清潔機器人主要由以下幾部分構成：機械本體、移動機構、傳感器定位及控制機構、清潔機構等。根據(jù)模塊化的設計組織模式，劃分為的子系統(tǒng)如圖1所示。

（1）行走子系統(tǒng)：該系統(tǒng)確定機器人的行走方式、驅動方式和行走控制系統(tǒng)。（2）感知子系統(tǒng)：主要實現(xiàn)機器人在水下的位置檢測功能，通過各種傳感器反饋的信息，確定機器人在水下的方位數(shù)據(jù)，以便按照路徑規(guī)劃算法得出的路徑來控制機器人的行程，從而實現(xiàn)較高的清潔效率。（3）控制子系統(tǒng)：該系統(tǒng)是泳池清潔機器人的核心部分，統(tǒng)一考慮所有動作的協(xié)調和單片機控制機器人行走路線的方式、停靠方式、故障報警和電源狀況等。（4）清潔子系統(tǒng)：實現(xiàn)機器人在行走的過程中用刷子洗刷泳池的底部，同時將污水吸入過濾箱、將污物收集到過濾箱中。

對于清潔機器人來說，由于要完成的是將整個泳池區(qū)域清掃干凈，這就要求它將泳池的每一個地方都要走到。所以這與一般的移動機器人路徑規(guī)劃不同，它需要按照一定的軌跡來運動，同時具有運動的遍歷性和不重復性。遍歷性是指清潔機器人要盡可能的走遍所有需要清掃的區(qū)域，可直接反映機器人的清潔效果；不重復性是指清潔機器人的行走路線應盡量避免重復，反映了機器人的清潔效率。基于以上原因，首先要解決清潔機器人的路徑規(guī)劃問題，其次要兼顧機器人的大小問題，以上2個因素直接影響到清潔機器人的清潔效率和清潔效果。通過分析比較，選定了2種路徑規(guī)劃算法進行比較：（1）內螺旋型算法，即讓機器人沿著池壁的邊界移動，進行內螺旋式"回"字型路徑移動；（2）"S"型算法，即讓機器人沿著池壁的邊界進行"S"型路徑移動。選定了2種大小的機器人進行比較，機器人邊長分別為0.4m和0.6m.

2 仿真程序的設計與實現(xiàn)

清潔機器人常用的路徑規(guī)劃算法大都基于柵格地圖，因此本仿真程序也采用了柵格地圖作為環(huán)境模型。仿真程序采用WindowsXP操作系統(tǒng)下的VS.NET編譯環(huán)境，采用C語言面向對象的編程方式。C語言是一種計算機程序設計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設計語言，編寫系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。因此，它的應用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，具體應用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。C語言是一種成功的系統(tǒng)描述語言，用C語言開發(fā)的UNIX操作系統(tǒng)就是一個成功的范例；同時C語言又是一種通用的程序設計語言，在國際上廣泛流行。世界上很多著名的計算公司都成功的開發(fā)了不同版本的C語言，很多優(yōu)秀的應用程序也都使用C語言開發(fā)的，它是一種很有發(fā)展前途的高級程序設計語言。

本程序中共有3個主要的類：Form類、Map類和Robot類，其中Form類代表窗體，Map類代表地圖相關信息、Robot類代表機器人相關信息。Form類和Map類之間是一對多的普通關聯(lián)；Map類和Robot類之間是一對一的雙向關聯(lián)，F(xiàn)orm類和Robot類之間沒有直接聯(lián)系。Form類生成窗體對象，主要屬性為：用（X0,Y0）表示地圖的左下角在屏幕中的位置；Map_long、Map_width表示地圖長和寬的格數(shù)；Path_type表示路徑規(guī)劃的方法，分為內螺旋式算法和"S"型算法。Map類生成地圖對象，建立路徑規(guī)劃環(huán)境模型，用動態(tài)二維數(shù)組表示柵格地圖的長和寬，每個柵格單元有坐標和類型2種信息屬性，分別表示柵格具體位置和未清掃或已清掃區(qū)域。Robot類是一個抽象的類，包括有機器人當前坐標、傳感器的探測范圍等。

仿真程序考慮到了"誤差"問題。對于泳池清潔機器人而言，"誤差"主要于兩個方面，即距離傳感器產生的探測誤差和車輪與池底的滑動而產生的誤差?；谝陨显?，仿真程序引入了"誤差"變量。假定當"誤差"設定為+2%時，實際行走距離為理論行走距離的102%,當"誤差"設定為-2%時，實際行走距離為理論行走距離的98%,以此來更加精確地模擬實際情況。

仿真程序的界面中間的方格是矩形柵格表示的地圖空間，下邊是各種初始狀態(tài)設置和工作控制區(qū)，主要分為：機器人設置、路徑算法選擇和運動控制。"顯示結果"是在機器人清潔過程中，實時輸出結果，包括清潔用時、清潔覆蓋率、清潔重復率和未清掃率4項內容。

3 仿真實驗結果與分析

仿真圖中淺灰色部分表示池壁，白色表示機器人清掃過的路徑，灰色網(wǎng)格表示可清潔區(qū)域，深灰色代表機器人。這樣就可以清楚地觀察機器人的運動狀況和運動效果。為了加快仿真程序的運行速度，適當加快了機器人的運行速度（加快60倍），因此仿真程序中的"清潔用時"并不是實際清潔用時。

通過下面的因素進行評價：（1）觀察路徑是否滿足要求；（2）相同泳池環(huán)境中不同的路徑規(guī)劃算法實驗結果比較；（3）相同泳池環(huán)境中不同大小的機器人實驗結果比較；（4）改變"誤差"狀態(tài)的實驗結果比較。

3.1 相同環(huán)境中不同算法仿真結果及分析

當清潔區(qū)域設定為25 m×12.5 m,機器人邊長為0.6 m,對2種不同算法分別進行仿真實驗，內螺旋算法仿真圖如圖2所示，"S"型算法仿真圖如圖3所示，仿真實驗結果見表1.

通過表1的對比數(shù)據(jù)可以看出：在理想狀態(tài)下（沒有誤差時）內螺旋算法和"S"型算法均能實現(xiàn)100%的覆蓋率，但是內螺旋算法比"S"型算法工作效率提高5.05%,清潔重復率降低46.2%.

由此可見，內螺旋算法比"S"型算法優(yōu)勢明顯，從而有效地提高了清潔效率。

3.2 相同環(huán)境中不同大小的機器人仿真結果分析

當清潔區(qū)域設定為25 m×12.5 m,機器人邊長分別設為0.4 m、0.6 m 2種，并對2種不同大小的機器人選用內螺旋算法分別進行了仿真實驗。0.6 m邊長的機器人仿真圖如圖4所示， 0.4 m邊長的機器人仿真圖如圖5所示，仿真實驗結果見表2.

通過表2的對比數(shù)據(jù)可以看出：在理想狀態(tài)下（沒有誤差時）都選用內螺旋算法，把機器人邊長分別設為0.4 m、0.6 m,機器人均能實現(xiàn)100%的覆蓋率。但是邊長為0.4 m的機器人清潔重復率為0.99%;邊長為0.6米的機器人清潔重復率為2.97%.在綜合考慮清潔效率的前提下，雖然邊長為0.6 m的機器人比邊長為0.4 m的機器人清潔重復率上升了1.98%,但是工作效率提高31.88%.由此可見，將泳池清潔機器人的邊長選定為0.6 m更加合適。

3.3 改變"誤差"狀態(tài)的實驗結果及分析

當清潔區(qū)域設定為25 m×12.5 m,機器人邊長為0.6 m,"誤差"為"0"和"-0.02"時，對內螺旋算法分別進行仿真實驗，"誤差"為"0"時的仿真實驗圖如圖6所示，"誤差"為"-0.02"時的仿真實驗圖如圖7所示，實驗結果見表3。

當清潔區(qū)域設定為25 m×12.5 m,機器人邊長為0.6 m,"誤差"為"0"和"-0.02"時，對"S"型算法分別進行仿真實驗，"誤差"為"0"時的仿真實驗圖如圖8所示，"誤差"為"-0.02"時的仿真實驗圖如圖9所示，實驗結果見表4.

通過對比可以看出：在相同的清潔環(huán)境下，不論有沒有誤差，內螺旋算法比"S"型算法有更高的覆蓋率和更低的重復率，清潔用時也較短，可見內螺旋算法清潔效率是最高的。內螺旋算法與"S"型算法相比具有的優(yōu)點如下：清潔行程較短，理論上減少了轉彎的次數(shù)、減少了能耗、提高了清潔效率。

在泳池清潔機器人的研究和開發(fā)過程中，實驗是一個非常重要的環(huán)節(jié)。但是，直接構造實體移動機器人系統(tǒng)用于反復實驗不僅價格昂貴、所需的時間也較長，同時不成熟的算法在實驗中可能會對機器人本體造成損壞。而通過計算機仿真程序來模擬移動機器人、工作環(huán)境以及執(zhí)行任務的過程，甚至不需要硬件環(huán)境，就可以初步驗證控制算法、策略的正確性和有效性，對優(yōu)化選擇泳池清潔機器人的路徑規(guī)劃算法和機體主要參數(shù)起到了重要作用。展望21世紀機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，所以很多專家預測，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期，目前國際上很多國家，也對機器人對人類社會的影響的估計提出了新的認識，同時，我們也可以看到機器人技術，涉及到多個學科，機械、電工、自動控制、計算機測量、人工智能、傳感技術等等，它是一個國家高技術實力的一個重要標準。

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