摘  要： 在泳池清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，為優(yōu)化路徑規(guī)劃設(shè)計(jì),，提出了運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真程序模擬工作環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法,，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，為研究和設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃提供一定的幫助,。
關(guān)鍵詞： 仿真,；優(yōu)化,；路徑規(guī)劃

　　計(jì)算機(jī)仿真是一門利用計(jì)算機(jī)軟件模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其作用越來越大,，在復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中,，計(jì)算機(jī)仿真是一種必不可少的工具，并在減少損失,、節(jié)約經(jīng)費(fèi),、縮短開發(fā)周期、提高質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大作用,。因此,，在泳池清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對路徑規(guī)劃算法和機(jī)體主要參數(shù)的選擇進(jìn)行了探索與嘗試,。
1 泳池清潔機(jī)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(hù)、利用好水資源是無法回避的問題,。本文研究的泳池清潔機(jī)器人是一種高效的水下清潔設(shè)備,，主要用于清潔游泳池底部及水中的污物。該機(jī)器人用程序控制,，在無人看管的情況下,，自動(dòng)對泳池的底部進(jìn)行刷洗，同時(shí)對池水進(jìn)行持續(xù),、細(xì)致的過濾,；除去水中的沉淀物及細(xì)菌；保持池水的清潔與衛(wèi)生,；延長更換池水的時(shí)間,；從而達(dá)到既減輕了繁重的體力勞動(dòng)、又節(jié)約了寶貴水資源的目的,。
　　泳池清潔機(jī)器人主要由以下幾部分構(gòu)成：機(jī)械本體,、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器定位及控制機(jī)構(gòu),、清潔機(jī)構(gòu)等,。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)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(jī)器人的行走方式、驅(qū)動(dòng)方式和行走控制系統(tǒng),。(2)感知子系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)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(jī)器人的行程,，從而實(shí)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(jī)器人的核心部分，統(tǒng)一考慮所有動(dòng)作的協(xié)調(diào)和單片機(jī)控制機(jī)器人行走路線的方式,、?？糠绞健⒐收蠄?bào)警和電源狀況等,。(4)清潔子系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在行走的過程中用刷子洗刷泳池的底部,，同時(shí)將污水吸入過濾箱、將污物收集到過濾箱中,。在綜合考慮以上4個(gè)子系統(tǒng)的過程中,，還要充分考慮機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將各子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起,，而且要考慮密封,、防腐與結(jié)構(gòu)的合理性及應(yīng)力分析。
　    對于清潔機(jī)器人來說,，由于要完成的是將整個(gè)泳池區(qū)域清掃干凈,，這就要求它將泳池的每一個(gè)地方都要走到。所以這與一般的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃不同,，它需要按照一定的軌跡來運(yùn)動(dòng),，同時(shí)具有運(yùn)動(dòng)的遍歷性和不重復(fù)性。遍歷性是指清潔機(jī)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(jī)器人的清潔效果,；不重復(fù)性是指清潔機(jī)器人的行走路線應(yīng)盡量避免重復(fù)，反映了機(jī)器人的清潔效率,?；谝陨显颍紫纫鉀Q清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題,，其次要兼顧機(jī)器人的大小問題,，以上2個(gè)因素直接影響到清潔機(jī)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(jìn)行比較：(1)內(nèi)螺旋型算法,，即讓機(jī)器人沿著池壁的邊界移動(dòng)，進(jìn)行內(nèi)螺旋式“回”字型路徑移動(dòng),；(2)“S”型算法,，即讓機(jī)器人沿著池壁的邊界進(jìn)行“S”型路徑移動(dòng)。選定了2種大小的機(jī)器人進(jìn)行比較,，機(jī)器人邊長分別為0.4 m和0.6 m,。
2 仿真程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    　清潔機(jī)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?qū)ο蟮木幊谭绞健?br /> 　　本程序中共有3個(gè)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(guān)信息,、Robot類代表機(jī)器人相關(guān)信息。Form類和Map類之間是一對多的普通關(guān)聯(lián),；Map類和Robot類之間是一對一的雙向關(guān)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(nèi)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(dòng)態(tài)二維數(shù)組表示柵格地圖的長和寬,，每個(gè)柵格單元有坐標(biāo)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(gè)抽象的類,，包括有機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo),、傳感器的探測范圍等。所以Map類要依靠Form類生成初始池壁地圖信息,，F(xiàn)orm類要根據(jù)Map類地圖信息的改變對界面進(jìn)行刷新,，而Robot類要依賴Map類的信息來運(yùn)動(dòng)，同時(shí)Map類也要根據(jù)Robot類的反饋信息更新數(shù)據(jù),。
    　仿真程序考慮到了“誤差”問題,。對于泳池清潔機(jī)器人而言，“誤差”主要來源于兩個(gè)方面,，即距離傳感器產(chǎn)生的探測誤差和車輪與池底的滑動(dòng)而產(chǎn)生的誤差,。基于以上原因,，仿真程序引入了“誤差”變量,。假定當(dāng)“誤差”設(shè)定為+2%時(shí)，實(shí)際行走距離為理論行走距離的102%,，當(dāng)“誤差”設(shè)定為-2%時(shí),，實(shí)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(shí)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(shè)置和工作控制區(qū)，主要分為：機(jī)器人設(shè)置,、路徑算法選擇和運(yùn)動(dòng)控制,。“顯示結(jié)果”是在機(jī)器人清潔過程中，實(shí)時(shí)輸出結(jié)果,，包括清潔用時(shí),、清潔覆蓋率、清潔重復(fù)率和未清掃率4項(xiàng)內(nèi)容,。
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
   　 仿真圖中淺灰色部分表示池壁,，白色表示機(jī)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(jī)器人,。這樣就可以清楚地觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況和運(yùn)動(dòng)效果。為了加快仿真程序的運(yùn)行速度,，適當(dāng)加快了機(jī)器人的運(yùn)行速度(加快60倍),，因此仿真程序中的“清潔用時(shí)”并不是實(shí)際清潔用時(shí)。
    　通過下面的因素進(jìn)行評價(jià)：(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(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,；(3)相同泳池環(huán)境中不同大小的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較；(4)改變“誤差”狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,。
3.1 相同環(huán)境中不同算法仿真結(jié)果及分析
    　當(dāng)清潔區(qū)域設(shè)定為25 m×12.5 m,，機(jī)器人邊長為0.6 m，對2種不同算法分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),，內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí))內(nèi)螺旋算法和“S”型算法均能實(shí)現(xiàn)100%的覆蓋率,，但是內(nèi)螺旋算法比“S”型算法工作效率提高5.05%，清潔重復(fù)率降低46.2%,。
　　

　　由此可見,，內(nèi)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(jī)器人仿真結(jié)果分析
    當(dāng)清潔區(qū)域設(shè)定為25 m×12.5 m,，機(jī)器人邊長分別設(shè)為0.4 m、0.6 m 2種,，并對2種不同大小的機(jī)器人選用內(nèi)螺旋算法分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),。0.6 m邊長的機(jī)器人仿真圖如圖4所示， 0.4 m邊長的機(jī)器人仿真圖如圖5所示，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí))都選用內(nèi)螺旋算法,，把機(jī)器人邊長分別設(shè)為0.4 m、0.6 m,，機(jī)器人均能實(shí)現(xiàn)100%的覆蓋率,。但是邊長為0.4 m的機(jī)器人清潔重復(fù)率為0.99%；邊長為0.6米的機(jī)器人清潔重復(fù)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(jī)器人比邊長為0.4 m的機(jī)器人清潔重復(fù)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(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　當(dāng)清潔區(qū)域設(shè)定為25 m×12.5 m,，機(jī)器人邊長為0.6 m,，“誤差”為“0”和“-0.02”時(shí)，對內(nèi)螺旋算法分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),，“誤差”為“0”時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖6所示,，“誤差”為“-0.02”時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3,。

　　當(dāng)清潔區(qū)域設(shè)定為25 m×12.5 m,，機(jī)器人邊長為0.6 m，“誤差”為“0”和“-0.02”時(shí),，對“S”型算法分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),，“誤差”為“0”時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖8所示，“誤差”為“-0.02”時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖9所示,，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)螺旋算法比“S”型算法有更高的覆蓋率和更低的重復(fù)率,，清潔用時(shí)也較短，可見內(nèi)螺旋算法清潔效率是最高的,。內(nèi)螺旋算法與“S”型算法相比具有的優(yōu)點(diǎn)如下：清潔行程較短,，理論上減少了轉(zhuǎn)彎的次數(shù)、減少了能耗,、提高了清潔效率,。
    　在泳池清潔機(jī)器人的研究和開發(fā)過程中，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),。但是,，直接構(gòu)造實(shí)體移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)用于反復(fù)實(shí)驗(yàn)不僅價(jià)格昂貴,、所需的時(shí)間也較長，同時(shí)不成熟的算法在實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)對機(jī)器人本體造成損壞,。而通過計(jì)算機(jī)仿真程序來模擬移動(dòng)機(jī)器人,、工作環(huán)境以及執(zhí)行任務(wù)的過程，甚至不需要硬件環(huán)境,，就可以初步驗(yàn)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(jī)器人的路徑規(guī)劃算法和機(jī)體主要參數(shù)起到了重要作用,。