软件的初始化 - 移动机器人3D仿真软件的设计

(1)软件的初始化

　　软件的初始化工作主要包括：从配置文件读入移动机器人的数量、软件运行时所需文件的路径和绘制窗口大小等参数;导入虚拟场景所需的素材，如声音、纹理和3ds模型等，本文采用lib3ds库来读取3ds文件[6];初始化ODBC 接口，获取ODBC 环境句柄，实现进程与数据库的数据交互;初始化游戏手柄和UDP通信网络;初始化ODE环境，创建动力学环境和碰撞检测空间，创建移动机器人和仿真场景。

　　(2)物体运动参数的接收

　　在仿真循环中，利用UDP协议实现本地进程与其他进程之间的通信，该软件也可以从键盘、游戏手柄和网络数据库读入机器人的动作指令。

　　(3)物体碰撞检测

　　本文将与物理引擎有关的操作函数封装成动态链接库，通过使用动态链接库技术，软件可以实现模块化，即由相对独立的组件来组成整个软件。这简化了软件项目的管理，而且能够节省内存，也有助于资源共享和代码更新移植。

　　ODE 的碰撞检测引擎需要给定两个物体的形状信息。在每一仿真循环中，调用dSpaceCollide函数获取可能发生接触的物体，再由该函数指定的碰撞回调函数nearCallback将接触点信息传给用户。由此，用户可根据自身需要建立物体间的碰撞连接点，每个连接点都有相应的dContactGeom 结构，该结构保存着碰撞点的位置和两个物体互相进入对方的深度。为了提高仿真速度，软件使用较少的关节和较少的接触面，如果条件允许，也可以使用无摩擦或者粘性接触面。下面给出碰撞回调函数中关于接触面的参数设置：

　　surface.mu=3.0; //库仑摩擦力系数

　　surface.mu2=0.0; //库仑摩擦力系数2

　　surface.slip1=0.05; //摩擦力1方向的滑动摩擦力

　　surface.slip2=0.05; //摩擦力2方向的滑动摩擦力

　　surface.bounce=0.9; //反弹系数

　　surface.bounce_vel=1.0; //反弹所需要的最小碰撞速度

　　surface.soft_erp=0.2; //接触点法线方向“柔软”参数

　　surface.soft_cfm=1e-4; //接触点法线方向"柔软"参数

　　(4)三维图形绘制

　　在仿真软件中，与绘制图形有关的操作函数都被封装成动态链接库，该动态链接库只向仿真软件提供若干个接口，如在绘制机器人时，只需根据机器人的不同部位，设定相应的绘制参数，然后轮流调用dsDrawCylinder、dsDrawBox两个函数即可实现，dsDrawCylinder函数的输入参数分别为物体位置、朝向、长度和半径，而dsDrawBox函数的输入参数为位置、朝向和尺寸;在绘制从x文件和3ds文件导入的三维模型时，只需调用dsDrawTriangleD函数即可。

　　4 仿真实例

　　本文在VS2008平台上开发仿真软件，ODE版本为0.9，OpenGL版本为1.0，软件为控制台程序。

　　在检验路径规划算法或避障算法时，可先创建一个虚拟足球场,再设定机器人初始位置的绝对坐标为(-9.0，-5.0)，目的地绝对坐标为(5.5，5.0)，并在路径的中间布置8个或更多的障碍物，障碍物直径为50 cm，其位置参数可以人为指定，也可以随机产生，然后在虚拟场景的二维地图上，以宏观鸟瞰的远程视野，对避障算法的仿真结果进行观察、比较和分析，仿真效果如图4所示。若需了解算法运行的细节，可以直接观察3D环境的仿真过程，或通过分析记录下的仿真数据来比较算法的优劣。而在检验多机器人协作算法时，可同时利用三维环境和二维全局地图来对算法性能进行比较，以由多个移动机器人组成的足球队为例，移动机器人需按照协作算法来实现站位[7]。

　　

 

　　此外，在采用PID控制算法对机器人位置进行控制时，有比例增益、微分增益和积分增益三个参数需要整定测试[8]，此时,可以利用仿真软件对参数进行步估计。实验方法是：先设定初始位置和目的地位置，然后让机器人以最快速度向目的地移动，当到达目的地后，就停止不动。在机器人移动过程中，记录下机器人在每一仿真步骤中的位姿(x,y,θ)T，并将位姿数据归一化，以便能够将三维的向量绘制在同一坐标系下，同时记录机器人走完设定路径所需的时间。图5(a)为采用比例控制算法的机器人位姿变化轨迹，机器人走完该路径所需时间为16.239 s，图5(b)为采用比例-微分控制算法的变化轨迹，所需时间为14.026 s。从图5的结果可看出，采用比例控制算法的系统输出无超调，而采用比例-微分控制算法的系统，其控制目标会出现微小超调，但机器人的响应速度明显提高，尤其是机器人朝向角的控制，能够更加快速准确地跟随给定值。

　　

 

　　在移动机器人控制技术和多机器人协作技术的研究中，为了能够对算法参数进行有效检验和测试，本文利用ODE、OpengGL和VS2008开发出移动机器人仿真软件。该软件采用ODE生成动力学世界和模拟物体碰撞，充分利用了ODE的快速性和精确性，仿真软件还采用高效的图形接口OpenGL来绘制图形，提高软件的图形处理能力，改善图形显示效果。仿真实例证明，该软件具有较好的扩展性和实用性。