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    智能終端工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航交互控制仿真探討*

    2022-04-12 03:23:54張文娟雷玲芝
    南方農(nóng)機(jī) 2022年7期
    關(guān)鍵詞:無線網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙終端

    張文娟 ,雷玲芝

    (河南科技職業(yè)大學(xué),河南 周口 466000)

    在工業(yè)發(fā)展過程中,工業(yè)機(jī)器人所起到的作用是至關(guān)重要的,被很多企業(yè)運(yùn)用到一線的生產(chǎn)當(dāng)中。不同的工業(yè)機(jī)器人有著不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn),通過對程序的設(shè)計(jì),達(dá)到完成生產(chǎn)任務(wù)的目的。一般來說,工業(yè)機(jī)器人的組成元素比較復(fù)雜,大致是由傳感器、控制器以及機(jī)械組成,有六個子系統(tǒng):驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及環(huán)境交互系統(tǒng)[1]。自我國進(jìn)入新時代以來,互聯(lián)網(wǎng)就獲得了非常大的發(fā)展空間,而將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中,也會產(chǎn)生非常大的促進(jìn)作用。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,初步完成工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng),從而對其進(jìn)行導(dǎo)航。在控制的過程中,導(dǎo)航系統(tǒng)與傳感器有著密切的關(guān)系,傳感器分為相對定位傳感器、絕對定位傳感器,相對定位傳感器完成導(dǎo)航之后,就可以通過絕對定位傳感器進(jìn)行GPS(Global Positioning System)的定位?;诖?,本文進(jìn)行了對智能終端工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航交互控制仿真的探討。

    1 智能終端工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航交互控制探討

    1.1 控制原理

    在智能終端工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)控制中,需要在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中找到工業(yè)機(jī)器人的最佳運(yùn)行路線,這也是進(jìn)行交互控制的目的。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

    圖1 導(dǎo)航交互控制原理

    在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中,內(nèi)部系統(tǒng)處于運(yùn)動的狀態(tài),為了能夠得到工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時的模型,要對智能終端工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航交互控制的應(yīng)用進(jìn)行研究,所以要確定工業(yè)機(jī)器人的定位,并設(shè)置出相應(yīng)的智能終端坐標(biāo)系,以S、V、W為智能終端坐標(biāo)系、工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系[2]。

    工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行導(dǎo)航交互控制時,會運(yùn)用到慣性傳感器,如果不能夠確定相對定位傳感器的位置,就需要采取相應(yīng)的處理方式,對慣性傳感器進(jìn)行初步分析。不僅要對智能終端進(jìn)行分析,還要對相對導(dǎo)航位置進(jìn)行分析,通過重力加速度的物理學(xué)測量出相對世界角度。若無法確定機(jī)器人的位置,要先獲取偏航角度,計(jì)算公式如下:

    在這個公式中,ezV和eyzV是z軸的加速度以及y軸的合成加速度,eyKF表示y軸通過了卡爾曼濾波后的加速度。

    1.2 智能終端工業(yè)機(jī)器人的定位

    一般對于智能終端工業(yè)機(jī)器人的定位,都會使用藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作,將藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)放入工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部,從而獲取工業(yè)機(jī)器人的位置。所采用的藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)是低消耗的,所以具有一定的時變性,隨著藍(lán)牙信號不斷地降低,無法建立起初步的模型,進(jìn)行導(dǎo)航定位的難度較高。所以,為了能夠快速地對智能終端工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行定位,在進(jìn)行導(dǎo)航定位的時候,會進(jìn)行在線定位,或者對機(jī)器人進(jìn)行離線采樣[3]。通過離線采樣,讓藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)在機(jī)器人中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中,最后通過在線定位,與相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,通過一些公式對目標(biāo)的位置進(jìn)行計(jì)算及獲取。

    狀態(tài)方程:在控制系統(tǒng)中,需要建立相應(yīng)的狀態(tài)方程,從而初步建立智能終端工業(yè)機(jī)器人的模型。相關(guān)計(jì)算公式如下:

    在這個公式當(dāng)中,qkc+qkn+ukc+ukn表示的是智能終端工業(yè)機(jī)器人的位置和速度,并且通過夾角θ進(jìn)行測試。公式為:

    K表示噪聲向量,K+1表示狀態(tài)方程中的狀態(tài)向量。

    觀測方程:為了能夠更加直觀地觀測機(jī)器人的運(yùn)動方式,對藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)以及GPS進(jìn)行初步探討。通過對位置信息的觀測,得到以下公式:

    在這個方程中,Zk是觀測向量,qck以及qnk表示k時刻藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行導(dǎo)航定位所獲取到的位置,為k時刻智能終端工業(yè)機(jī)器人的速度。

    1.3 智能終端工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行路徑的規(guī)劃

    通過A※算法對智能終端工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行路徑進(jìn)行初步計(jì)算,建立機(jī)器人的運(yùn)動模型,防止出現(xiàn)碰撞的情況。通過導(dǎo)航的定位,具體流程如下:首先運(yùn)行開始,將智能終端工業(yè)機(jī)器人的開始點(diǎn)與碰撞點(diǎn)放入相關(guān)的表中(包括OPEN表與CLOSE表),在CLOSE表中引入OPEN表中的最小值節(jié)點(diǎn)[4]。如果成為了目標(biāo)點(diǎn),就會形成相應(yīng)的路徑,成功地形成路徑規(guī)劃;如果沒有成為目標(biāo)點(diǎn),就需要對最小節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)大,隨后在OPEN表中建立相應(yīng)的節(jié)點(diǎn),并對公式f(m)=g(m)+h(m)進(jìn)行解析。觀察m點(diǎn)是否在OPEN表中,若是存在就對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新,重新進(jìn)行排列,若不是就需要重新添加到OPEN表中。直到最小節(jié)點(diǎn)值能夠成為目標(biāo)點(diǎn)為止。

    在A※算法的方式中,必須要對OPEN表與CLOSE表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的選擇,并且要保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。一般來說,會對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置,h(n)表示為啟發(fā)式信息,(xn,yn)則表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn),(xr,yr)則表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn),(xn,yn)與(xr,yr)的直線距離表示為h(n)[5]。具體公式如下:

    1.4 24鄰域擴(kuò)展和優(yōu)化

    在進(jìn)行完A※算法之后,智能終端工業(yè)機(jī)器人就能夠自動規(guī)劃出運(yùn)行路徑,但是在機(jī)器人運(yùn)行期間,很有可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的情況。為了能夠得到機(jī)器人最佳的運(yùn)行路徑,需要使用24鄰域?qū)\(yùn)行路徑不斷進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化,只有這樣才能保證機(jī)器人能夠有效運(yùn)行[6-7]。即將A※算法中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化,一般來說,節(jié)點(diǎn)會有8個,通過鄰域的擴(kuò)展后會有24個,具體步驟分為兩步:1)輸入點(diǎn)的擴(kuò)展點(diǎn)四周24個鄰接點(diǎn)進(jìn)行檢查,并且判斷是否能夠接入擴(kuò)展列表;2)如果鄰接點(diǎn)為內(nèi)圈點(diǎn),就需要判斷是否為障礙點(diǎn),如果不是障礙點(diǎn),加入擴(kuò)展列表,如果是障礙點(diǎn),還需要對鄰接點(diǎn)路徑中的其他點(diǎn)進(jìn)行檢查,檢查是否存在于CLOSE表當(dāng)中。

    2 實(shí)驗(yàn)測試

    用軟件Micuosoft Visual 5.8版本對某生產(chǎn)公司進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)。該生產(chǎn)公司的仿真環(huán)境較差,在具體的實(shí)踐中有很大的可能會出現(xiàn)撞擊。智能終端機(jī)器人在運(yùn)行時也有很多的障礙物。通過本文的研究方法對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

    仿真環(huán)境有一個面積較大的盲區(qū),面積大約為18 m2,為了讓智能終端機(jī)器人正常運(yùn)行,從而達(dá)到導(dǎo)航控制的目的。將通過使用藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)、慣性傳感器、GPS導(dǎo)航對其進(jìn)行定位,讓機(jī)器人完成導(dǎo)航交互控制[8]。當(dāng)出現(xiàn)了一些盲區(qū)之后,依然可以通過導(dǎo)航交互的方式對機(jī)器人內(nèi)部因素進(jìn)行定位。智能終端機(jī)器人在進(jìn)行導(dǎo)航交互的時候,規(guī)劃出一條最佳運(yùn)行路徑是非常重要的。為了能夠測試本文方法是否有較大的應(yīng)用價值,在仿真的環(huán)境下,對智能終端機(jī)器人優(yōu)化前與優(yōu)化后的擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)、搜索時間、實(shí)際距離與規(guī)劃距離進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并記錄下來,具體數(shù)據(jù)如表1所示[9]。

    表1 24鄰域擴(kuò)展優(yōu)化前后結(jié)果對比

    結(jié)果顯示,優(yōu)化后的擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)得到了顯著的增加,搜索時間有所延長,但是增加的時間非常少,只有0.36 s,可以忽略不計(jì)。在實(shí)際距離中,優(yōu)化后的實(shí)際距離有所減少,說明有本文研究方法有較高的應(yīng)用價值。

    3 結(jié)束語

    綜上所述,本文對智能終端工業(yè)機(jī)器人展開了研究,主要是對其導(dǎo)航交互控制仿真展開探討。通過本文的研究,應(yīng)用A※算法與24鄰域擴(kuò)展和優(yōu)化的方式,有利于降低機(jī)器人運(yùn)行時撞擊的可能性,對于完成導(dǎo)航定位與交互控制有著非常高的應(yīng)用價值[10]。本文還對優(yōu)化前后的擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)、搜索時間、實(shí)際距離與規(guī)劃距離進(jìn)行了初步探討,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后機(jī)器人有更好的應(yīng)用效果,非常適合智能終端工業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航定位與交互控制。本文在開展研究的時候,雖然有比較好的創(chuàng)新性,在研究時也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢[11]。但是在研究過程中也遇到了很多問題,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)在進(jìn)行導(dǎo)航定位與交互控制的時候,智能終端工業(yè)機(jī)器人會移動,可是在尋找機(jī)器人最佳運(yùn)行路線的時候具有一定的難度,難以達(dá)到最好的控制效果;2)在導(dǎo)航控制系統(tǒng)中,要進(jìn)行最佳的運(yùn)行路徑規(guī)劃,從而最高效化地完成本次研究;3)要避免外部因素對機(jī)器人造成影響,為了達(dá)到最佳的導(dǎo)航定位和交互控制效果,要做好一切準(zhǔn)備。

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