運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)泳池清潔機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化

計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過(guò)程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)性比較逼真的模仿。它是一種描述性技術(shù)，是一種定量分析方法。通過(guò)建立某一過(guò)程和某一系統(tǒng)的模式，來(lái)描述該過(guò)程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供有關(guān)這一過(guò)程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的某一層次的問(wèn)題做出決策。仿真是一個(gè)相對(duì)概念，任何逼真的仿真都只能是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對(duì)所欲處理的客觀系統(tǒng)的問(wèn)題，又要針對(duì)提出處理者的需求層次，否則很難評(píng)價(jià)一個(gè)仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其作用越來(lái)越大，在復(fù)雜系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(guò)程中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)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(wèn)題

我國(guó)是缺水型國(guó)家，如何保護(hù)、利用好水資源是無(wú)法回避的問(wèn)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(wú)人看管的情況下，自動(dòng)對(duì)泳池的底部進(jìn)行刷洗，同時(shí)對(duì)池水進(jìn)行持續(xù)、細(xì)致的過(guò)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(zhǎng)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。智能清掃機(jī)器人1、掃地省時(shí)、省力：整個(gè)清潔過(guò)程不需要人控制，減輕您操作負(fù)擔(dān)，省下時(shí)間看電視、陪家人。2、低噪音：小于50分貝，清潔房間的過(guò)程免受噪音之苦。3、凈化空氣：內(nèi)置活性碳、吸附空氣中有害物質(zhì)。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(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(cè)功能，通過(guò)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(lái)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、停靠方式、故障報(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(guò)程中用刷子洗刷泳池的底部，同時(shí)將污水吸入過(guò)濾箱、將污物收集到過(guò)濾箱中。

對(duì)于清潔機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(lái)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?，首先要解決清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題，其次要兼顧機(jī)器人的大小問(wèn)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(guò)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(zhǎng)分別為0.4m和0.6m.

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(yǔ)言面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程方式。C語(yǔ)言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)不依賴(lài)計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開(kāi)發(fā)上，而且各類(lèi)科研都需要用到C語(yǔ)言，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。C語(yǔ)言是一種成功的系統(tǒng)描述語(yǔ)言，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的UNIX操作系統(tǒng)就是一個(gè)成功的范例；同時(shí)C語(yǔ)言又是一種通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在國(guó)際上廣泛流行。世界上很多著名的計(jì)算公司都成功的開(kāi)發(fā)了不同版本的C語(yǔ)言，很多優(yōu)秀的應(yīng)用程序也都使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，它是一種很有發(fā)展前途的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

本程序中共有3個(gè)主要的類(lèi)：Form類(lèi)、Map類(lèi)和Robot類(lèi)，其中Form類(lèi)代表窗體，Map類(lèi)代表地圖相關(guān)信息、Robot類(lèi)代表機(jī)器人相關(guān)信息。Form類(lèi)和Map類(lèi)之間是一對(duì)多的普通關(guān)聯(lián)；Map類(lèi)和Robot類(lèi)之間是一對(duì)一的雙向關(guān)聯(lián)，F(xiàn)orm類(lèi)和Robot類(lèi)之間沒(méi)有直接聯(lián)系。Form類(lèi)生成窗體對(duì)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(zhǎng)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(lèi)生成地圖對(duì)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(zhǎng)和寬，每個(gè)柵格單元有坐標(biāo)和類(lèi)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(lèi)是一個(gè)抽象的類(lèi)，包括有機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)、傳感器的探測(cè)范圍等。

仿真程序考慮到了"誤差"問(wèn)題。對(duì)于泳池清潔機(jī)器人而言，"誤差"主要于兩個(gè)方面，即距離傳感器產(chǎn)生的探測(cè)誤差和車(chē)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)下面的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)：（1）觀察路徑是否滿(mǎn)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(zhǎng)為0.6 m,對(duì)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(jiàn)表1.

通過(guò)表1的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出：在理想狀態(tài)下（沒(méi)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(jiàn)，內(nèi)螺旋算法比"S"型算法優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)分別設(shè)為0.4 m、0.6 m 2種，并對(duì)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(zhǎng)的機(jī)器人仿真圖如圖4所示， 0.4 m邊長(zhǎng)的機(jī)器人仿真圖如圖5所示，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

通過(guò)表2的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出：在理想狀態(tài)下（沒(méi)有誤差時(shí)）都選用內(nèi)螺旋算法，把機(jī)器人邊長(zhǎng)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(zhǎng)為0.4 m的機(jī)器人清潔重復(fù)率為0.99%;邊長(zhǎng)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(zhǎng)為0.6 m的機(jī)器人比邊長(zhǎng)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(jiàn)，將泳池清潔機(jī)器人的邊長(zhǎng)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(zhǎng)為0.6 m,"誤差"為"0"和"-0.02"時(shí)，對(duì)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(jiàn)表3。

當(dāng)清潔區(qū)域設(shè)定為25 m×12.5 m,機(jī)器人邊長(zhǎng)為0.6 m,"誤差"為"0"和"-0.02"時(shí)，對(duì)"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(jiàn)表4.

通過(guò)對(duì)比可以看出：在相同的清潔環(huán)境下，不論有沒(méi)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(jiàn)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(kāi)發(fā)過(guò)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(zhǎng)，同時(shí)不成熟的算法在實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)對(duì)機(jī)器人本體造成損壞。而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真程序來(lái)模擬移動(dòng)機(jī)器人、工作環(huán)境以及執(zhí)行任務(wù)的過(guò)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(duì)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。展望21世紀(jì)機(jī)器人將是一個(gè)與20世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，所以很多專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)的前20年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，目前國(guó)際上很多國(guó)家，也對(duì)機(jī)器人對(duì)人類(lèi)社會(huì)的影響的估計(jì)提出了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，我們也可以看到機(jī)器人技術(shù)，涉及到多個(gè)學(xué)科，機(jī)械、電工、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)測(cè)量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個(gè)國(guó)家高技術(shù)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

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