基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航控制

1 引言
    沿墻導(dǎo)航控制問(wèn)題是指驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在一定方向上沿墻運(yùn)動(dòng)，或者更一般意義上的沿著物體輪廓運(yùn)動(dòng)，并與墻保持一定距離。它可以看作是移動(dòng)機(jī)器人智能的低層行為，當(dāng)與其它高層的智能行為相結(jié)合時(shí)，可以完成復(fù)雜的任務(wù)。墻體情況可分為以下幾種：
    跟蹤一個(gè)未知的墻體。當(dāng)獲得的環(huán)境信息太少或無(wú)法獲得，機(jī)器人的軌跡可能會(huì)特定為“沿著右邊的墻體運(yùn)動(dòng)直到發(fā)現(xiàn)第一個(gè)門(mén)口”。另外，如果移動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)是繪制全局模型，它就必須沿墻體行進(jìn)將地圖描述完全。
    跟蹤一個(gè)已知墻體。機(jī)器人按照規(guī)劃好路徑跟蹤軌跡，為了使算法誤差保持在小范圍內(nèi)而跟蹤墻體?；蛘撸方?jīng)規(guī)劃中包括已知墻體，需要機(jī)器人沿墻行進(jìn)完成特殊的任務(wù)。
    目前關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航控制已有較多研究，大多采用聲納傳感器作為環(huán)境的感知設(shè)備。算法應(yīng)用則從早期的航跡推算法，發(fā)展到后來(lái)使用卡爾曼濾波，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。由于模糊邏輯技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各自獨(dú)到的特點(diǎn)，將模糊技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合組成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則自動(dòng)提取、模糊隸屬函數(shù)的自動(dòng)生成及在線調(diào)節(jié)。因此本文采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的沿墻導(dǎo)航控制。

2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2．1 輸入輸出值模糊化
    本文研究的移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航控制融合機(jī)器人聲納檢測(cè)采集到的數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人的位姿，然后通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作，使其在一定距離內(nèi)沿墻體運(yùn)。文中移動(dòng)機(jī)器人側(cè)壁上方安裝有16個(gè)聲納，按順時(shí)針排列從0#到15#。
    移動(dòng)機(jī)器人要避免與墻體碰撞又要保持一定距離，所以本文為每個(gè)聲納設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)聲納檢測(cè)到的距離值大于或小于這個(gè)閾值就采取相應(yīng)的動(dòng)作。這樣，將聲納采集的距離值與各自相應(yīng)的閾值相減得到差值△di(i=O，1，2，…，15)作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)輸入；移動(dòng)機(jī)器人的角度信息θ作為另外一個(gè)輸入。將距離差值△di和角度θ輸入模糊化如下：
    距離差值△di：較小(NB)，小(NS)，中(Z)，大(PS)，較大(PB)。
    角度θ：左(L)，偏左(LS)，正(Z)，偏右(RS)，右(R)。
    輸出變量為移動(dòng)機(jī)器人的左右輪速Vl、Vr，模糊化如下：
    左右輪速Vl、Vr：左轉(zhuǎn)(TL)，前進(jìn)(G)，右轉(zhuǎn)(TR)。
2．2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
    模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，A為輸入層，輸入變量分別是前面所說(shuō)的距離差值△di(i=0，l，2，3，4)和角度θ。A層的作用是將輸入值傳送到下一層。

    B，C為模糊化層，即使用模糊語(yǔ)言來(lái)反應(yīng)輸入量的變化，隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù)，隸屬度計(jì)算公式如下：

   
    連接權(quán)重We、Wd決定了隸屬函數(shù)的形狀。
    D層為模糊推理層，目的是將輸入量進(jìn)行綜合處理，共采用了25條規(guī)則，它們由C，D，E的連接表示出來(lái)。模糊規(guī)則如下：
    lf △di is M andθis N，then Vl is K and Vris L．
其中M=NB，NS，Z，PS，PB；N=L，LS，Z，RS，R；K，L=TL，G，TR。
    E、F、G層為去模糊化層。F層有10個(gè)神經(jīng)元，5個(gè)對(duì)應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人的左輪速度，5個(gè)對(duì)應(yīng)右輪速度。F層的結(jié)果隸屬函數(shù)使用三角形隸屬函數(shù)，目的是把在E層模糊語(yǔ)言描述的隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值的隸屬度。G層求解模糊結(jié)果，采用重心法，也叫加權(quán)平均法。求解過(guò)程是以控制作用論域上的點(diǎn)vi(i=l，2，…，n)對(duì)控制作用模糊集的隸屬度u為權(quán)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均而求得模糊結(jié)果，對(duì)于離散論域vi：

   

3 沿墻導(dǎo)航控制計(jì)算模型
    圖l所示即為本文采用的BP前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型如下(I為該神經(jīng)元的輸入值，O為輸出值，上標(biāo)表示神經(jīng)元所在的層)：

   

    D層：由輸入變量自動(dòng)生成模糊規(guī)則。

   
    F層：輸出隸屬函數(shù)使用三角形函數(shù)，隸屬度計(jì)算公式如下：

   
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證算法的有效性，本文設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人沿左墻行進(jìn)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為有兩扇門(mén)的長(zhǎng)方形走廊。其中，黑色實(shí)線為帶有兩扇門(mén)的墻體，藍(lán)色曲線為移動(dòng)機(jī)器人沿墻體行進(jìn)的軌跡。移動(dòng)機(jī)器人使用0#～4#聲納，圖2為基于航跡推算法的移動(dòng)機(jī)器人墻體跟蹤軌跡圖；圖3為基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航控制軌跡圖。

    圖3中，移動(dòng)機(jī)器人與墻體的距離聯(lián)合各聲納相對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人正前方的角度作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)過(guò)融和判斷來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作，靠近墻體或遠(yuǎn)離墻體。例如，O#(-90°)測(cè)得的數(shù)值為208mm，1#(-50°)測(cè)得的數(shù)值為324mm，2#(一30°)測(cè)得的數(shù)值為877mm，3#(一10°)測(cè)得的數(shù)值為1700mm，4#(10°)測(cè)得的數(shù)值為3000mm，說(shuō)明移動(dòng)機(jī)器人距離墻體太近，需遠(yuǎn)離以避免碰撞，此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人左輪速度為0．20m／s，右輪速度為O．08m／s。移動(dòng)機(jī)器人采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行沿墻導(dǎo)航控制的均方誤差為0．0014。單一采用航跡推算法的均方誤差為0．0382。由此可見(jiàn)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航控制，性能大大提高。

5 結(jié)論
    本文給出了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模型，利用BP網(wǎng)絡(luò)離線訓(xùn)練權(quán)值。此方法能夠根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人聲納采集到的信息自動(dòng)生成模糊隸屬函數(shù)，并且自動(dòng)提取模糊規(guī)則，增強(qiáng)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力和容錯(cuò)能力。實(shí)驗(yàn)證明了此方法的有效性和可行性，能夠無(wú)碰撞地沿墻體行進(jìn)，并保持一定的距離。