智能机器人仿真系统设计分析

郑秀丽 王辉

【摘要】近些年来，科学技术的发展水平日新月异，尤其是智能机器人的诞生与发展。目前，人们越来越关注智能机器人的发展，特别是机器人的仿真性。智能机器人的仿真系统，与机器人的传感器信息融合性及控制的多样性等因素有密切的联系，要实现智能机器人的仿真系统建设，要利用数学建模的形式。因此，要从机器人的数学运动模型、机器人控制系统相关的传感器自动控制和人工控制模块等部分着手，从而实现机器人控制的真实场景。

【关键词】智能机器人 仿真系统

【中图分类号】TP242 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）02-0278-01

随着遥测技术以及虚拟仪器的日趋成熟，智能机器人的发展也越来越完善。目前，机器人的科技水平越来越高，而且也越来越广泛的应用到人们的日常生产和生活当中，因此人们对于智能机器人的要求也越来越高，尤其是其仿真性。从现状来看，在进行智能机器人的仿真系统构建时，仍然存在一些不完善的地方。机器人的仿真仍然是构建数学模型及形式化仿真，而对机器人运动控制的动态和静态特性尚无法准确把握。为了有效改善这一缺陷，本文将对智能机器人的仿真系统设计提出新的思路，以期可以使智能机器人的仿真性能够得到更好的实现。

一、系统构成

仿真系统是由多个部分组成的，其中包括主控制界面、仿真界面、人工控制和智能控制模块及障碍检测系统等部分。而人工控制和智能控制模块是其设计的重点。在系统当中，障碍检测功能是必不可少的一项功能，障碍检测所提供的数据会被作为机器人下一步行动的重要依据。而当人工控制模式运行时，障碍检测功能虽然也会进行，但不会影响机器人的行动，这主要是为了将数据更加清晰的提供给控制者。主控制界面和仿真界面是分开的，这样不但可以更加有利于机器人的控制，也能够使外观更加的美化。

二、Robotics机器人工具包

Lab VIEW Robotics是机器人开发的工具包，以Lab VIEW为基础。Lab VIEW Robotics主要的作用是驱动机器人的执行器与传感器，同时有利于更加复杂的导航。在Lab VIEW中，控制算法的设计对于软件开发环境的要求是较低的。仿真系统的驱动程序由红外遥感、激光雷达、GPS系统等内容构成。

一般来说，常见的结构体系为“感知—思考——行动”，Lab VIEW的数据流特性适用于机器人设计。在系统当中，传感器可以被看作是其核心部分之一，可以使机器人进行环境的优化设计，进而通过决定性算法，从而控制机器人的行为。Lab VIEW Robotics使算法的设计更加简便，例如A*算法，它能使自主系统的设计更加迅速。机器人根据环境作出应对决策，而其动作的开展需要动力系统的配合。Lab VIEW Robotics 2011中含有电机驱动，这种驱动模块可以直接进行调用，从而使系统整合和驱动程序的开发时间得到节约，最终达到仿真任务。

三、机器人仿真系统的建立

要建立仿真系统，首先要建立一个基于向导的项目robotics project，而由开发者控制机器人的工程可以通过这个项目自动生成。同时，windows系统和机器人环境模拟器可作为项目的选择类型。机器人的控制器可通过windows平台平台进行设计，包括PXI系统或笔记本电脑。开发人员要测试算法，必须通过机器人的环境模拟器进行，同时也可以通过这项内容来验证机器人的结构。因此，为实现机器人的仿真，环境模拟器是十分重要的。最后，要将工程的文件名、仿真的实例名输入，然后选择特定的文件夹进行存储[1]。

四、Lab VIEW仿真程序设计

1.仿真初始化模块

为了实现仿真的初始化，首先要将机器人的各个组成部分进行信息的初始化。其作用主要是便于定义某些机器人仿真所必须的环境常量，除一些关键数据的连接外，一些连接可进行默认[2]。

①开始模拟器服务VI，将定义的仿真场景进行初始化。

②初始化模拟入门工具1.1VI，首先对机器人的ID进行分配，然后将模拟器仿真实例VI运行服务启动，这样可根据变化识别机器人。

③构建模拟机器人1.0转向构架VI，这种转向构架是一种入门工具，其对象是机器人。VIs实施机器人入门工具的转向可通过转向框架实现，构建的位置包括轮子等部分。

④扫描角度值的初始化，这个VI是在Lab VIEW Robotics安装之后自带的，这个VI在其函数面板上是找不到的，因此是公开的代码源，而这种类型的VI也不在NI公司的服务范围内，其版本也会有变动的可能性。初始化中含有一个子VI，用来实现角度至弧度的转换，其公式为弧度=角度值A*pi/180[3]。

2.数据采集模块

在仿真系统中，数据的采集是一项必不可少的程序，其重点采集的信息为环境信息，对信息进行分析之后作出相应行为。对仿真系统中的传感器进行初始化，即可进行数据采集。而传感器除了负责数据采集工作之外，还要进行障碍检测，因此需要对电机进行控制，以便调整传感器角度。而初始化从-65°到65°方向，步进值为4°。

3.人工/智能控制模块

要实现智能控制模块，就应该实现环境信息的采集、采集信息的处理及决策行动这些步骤。

（1）前进方向计算

根据障碍检测结果，可通过矢量直方图VI对检测范围、最大的距离和角度以及障碍安全距离进行定义。通过VFH测算最大安全距离与最近障碍信息。检测到的最小障碍距离，要与常量0.35进行比较，若大于0.35则为假，反之则为真。

（2）穿越空隙

傳感器对障碍的空隙进行检测之后，若不能通过，将重新对周围环境进行检测，如果机器人可以通过，那么机器人的系统将会计算前进的方向与速度，在计算时将会应用各项要素[4]，各项要素之间的关系为：

x_dot=0

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

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

4.机器人电机驱动模块

机器人电机使用直流电，要对其速度VI的控制量进行设定。为使其速度值能够适用于驱动电机，要对机器人两侧的马达速度进行设定。其最大速度不能超过15.7rad/s。这个VI可以从整体上控制转向架的速度以及方向，为机器人的入门工具。

五、结束语

当前，智能机器人的发展十分迅速，人们的生活中也越来越多的应用到智能机器人。目前，人们对智能机器人的要求越来越多的体现在对其仿真性的追求，为了使机器人的仿真系统更加完善，必须对各个组成部分的细节加以控制，本文所介绍的Lab VIEW Robotics 2011所构建的仿真系统，其交互界面、可操作性、分析功能等方面都具有不错的效果，因此，细节的深化设计可作为智能机器人仿真系统设计的主要方向。

参考文献：

[1]王南，贺娜.新型智能救援机器人的设计[J].煤矿机械，2015，（8）：163-165，166.

[2]谢光辉，杨治平，王光建.矢量场逐次迭代的人机身体交流控制[J].中国机械工程，2014，（17）：2337-2343.

[3]阳卫，陈进军.语音信号去噪声处理研究与仿真[J].软件导刊，2017，（12）：155-157.

[4]黄万永，屠大维，江济良.基于VC平台的服务机器人运动控制与仿真方法[J].机械制造，2014，（8）：30-34.

作者简介：

郑秀丽（1983—），女，讲师，硕士，研究方向：机械设计制造技术，机电一体化技术。