畢業(yè)論文終期報(bào)告《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真精度估計(jì)研究》CONTENTSPART

ONE課題研究的背景01PART

TWO課題研究內(nèi)容02PART

THREE

案例分析03PART

FOUR總結(jié)04PART

ONE

課題研究的背景01研究背景01離散事件系統(tǒng)是一類在工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域常見的系統(tǒng)，它們的狀態(tài)在一些不均勻的離散時(shí)刻發(fā)生變換且狀態(tài)變換的內(nèi)部機(jī)制比較復(fù)雜，往往無法用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法來描述。在仿真實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)誤差是不可避免的，由于仿真硬設(shè)備的誤差原因，或者工作環(huán)境的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中將會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)誤差的現(xiàn)象。PART

TWO

課題研究內(nèi)容

02離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)02離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有的系統(tǒng)狀態(tài)只在離散的時(shí)刻上發(fā)生改變，同時(shí)這些離散時(shí)刻通常不被確定。這類系統(tǒng)中，事件引起狀態(tài)變化，一般狀態(tài)變化和事件的發(fā)生是映射的關(guān)系。事件的發(fā)生通常具有隨機(jī)性，即事件的發(fā)生是具有不確定性的。同時(shí)事件的發(fā)生不具有持續(xù)性，即在某一個(gè)時(shí)刻瞬間完成。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真是針對(duì)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真。對(duì)于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通常使用流程圖的方法來建立它的仿真模型。模型的整體結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用的建模方法不同而不同。精度分析概念03所謂仿真系統(tǒng)的精度分析即首先確定建模仿真過程的偏差源,在概念建模階段,根據(jù)仿真系統(tǒng)的總體精度要求,分解為各個(gè)子系統(tǒng)/模型的精度要求,而后根據(jù)仿真運(yùn)行的輸出結(jié)果,評(píng)定該仿真的精度水平,并給出是否滿足精度要求的結(jié)論。精度分析的目的是:分析當(dāng)次仿真的精度水平,以確認(rèn)當(dāng)次仿真結(jié)果可信的程度;分析各個(gè)因素對(duì)仿真系統(tǒng)精度的影響,進(jìn)而確定提高精度的方法。為敘述方便,把影響仿真精度的誤差、不確定性的總和稱為偏差,即不精確部分。仿真系統(tǒng)誤差分析04誤差不是由于缺乏知識(shí)而引起的并且可認(rèn)知的不精確性。誤差分為兩類：確認(rèn)的誤差是為開發(fā)者所驗(yàn)證的不精確性，而未確認(rèn)的誤差是未被開發(fā)者所驗(yàn)證但是可認(rèn)知的不精確性，仿真領(lǐng)域影響精度的因素分類如下圖。仿真精度因素分類05影響精度因素不確定性誤差認(rèn)知不確定性EU偶然不確定性AU確認(rèn)的誤差A(yù)E未確認(rèn)的誤差UE仿真精度影響因素分類偶然不確定性誤差一般用概率分布來刻畫，認(rèn)知不確定性可用證據(jù)理論，可能性理論，模糊理論來描述。確認(rèn)的誤差一般用區(qū)間限定它的影響范圍，而未確認(rèn)的誤差目前還沒有數(shù)學(xué)形式來刻畫，可以通過重復(fù)檢查等手段來克服。06概念建模數(shù)學(xué)建模計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行系統(tǒng)/環(huán)境模型EU劇情提取EU模型耦合關(guān)系描述AE不確性因素描述A&EU

模型簡化AE列寫數(shù)學(xué)方程A&EU

模型離散化AE不確定因素表示AE&EU不確定傳播方法AE

驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)AE

輸入準(zhǔn)備UE

算法選擇AE

程序模塊設(shè)計(jì)UE

代碼編寫UE

編譯與連接UE建模仿真各階段影響精度的因素

計(jì)算機(jī)求解AEPART

THREE

案例分析0307往返式路徑規(guī)劃mn圖3-1多障礙下清掃路徑拖地機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃08拖地機(jī)器人是沿著Y軸方向上下往復(fù)移動(dòng)，遇到墻壁或障礙物則會(huì)變換一次方向，即沿X軸方向移動(dòng)一個(gè)車身的寬度。以圖3-1中的障礙物A為例來分析，m、n即分別是障礙物左右兩邊的端點(diǎn)。當(dāng)拖地機(jī)器人移動(dòng)到障礙物的最左邊端點(diǎn)m時(shí)，記下m點(diǎn)的坐標(biāo)。然后沿著障礙物邊緣（相當(dāng)于X軸方向）行進(jìn)一個(gè)車身的距離，再沿著Y軸負(fù)方向繼續(xù)清掃。就一直保持這樣往返清掃，直到遇到障礙物的最右邊端點(diǎn)n。拖地機(jī)器人到達(dá)n點(diǎn)后，將在原地一直向左旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，其目的是為了沿著障礙物的邊沿移動(dòng)到障礙物的最左邊端m

點(diǎn)，再沿Y軸方向開始往返清掃。在多個(gè)不規(guī)則障礙物的環(huán)境下，機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，都會(huì)事先記下障礙物最左邊點(diǎn)的坐標(biāo)，沿它的邊沿做往返清掃直至最右端點(diǎn)，再沿障礙物另一邊返回其最左邊點(diǎn)再繼續(xù)做往返清掃運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)路徑如圖3-1所示。內(nèi)螺旋式“回”字路徑09圖3-2內(nèi)螺旋式“回”字型路徑示意圖內(nèi)螺旋式“回”字型路徑10內(nèi)螺旋式“回”字型路徑是以靜態(tài)結(jié)構(gòu)環(huán)境模型為基礎(chǔ)，在障礙物信息（位置和形狀）給定的情況下，讓機(jī)器人沿著墻邊或障礙物的邊界移動(dòng)，進(jìn)行內(nèi)螺旋式“回”字型路徑規(guī)劃，如圖3-2所示（箭頭表示行走，直線表示行走路線，虛線表示返回停放位置可能的路線）。拖地機(jī)器人先繞墻邊行走一周，以熟悉環(huán)境，計(jì)算出環(huán)境清潔的面積，限定之后移動(dòng)的路徑的范圍。在沿著內(nèi)螺旋式“回”字型路徑行走的過程中，需判斷障礙物并對(duì)其進(jìn)行避障。避障路徑規(guī)劃中，機(jī)器人清掃時(shí)需要對(duì)障礙物和邊界這兩方面判斷以及處理。假設(shè)

A(x,y)點(diǎn)是機(jī)器人所在的柵格，行走前，機(jī)器人將搜索與其相鄰的四個(gè)方向，即上(x,y+Y/n)、下

(x,y-Y/n)、左(x-X/m,y)

、右(x+X/m,y)。判斷下一個(gè)柵格是否存在障礙。若存在，則需要檢測邊界以選擇避障方向。若不存在，則繼續(xù)沿原方向行走。11對(duì)避障方法來說，避障就是指給出環(huán)境的障礙條件，以及位置信息。這些信息都作為避障、路徑規(guī)劃的依據(jù)，然后選擇一條從起始點(diǎn)到目的地的路徑，能夠使機(jī)器人無碰撞地通過所有的障礙。由于拖地機(jī)器人清掃環(huán)境的不確定性、復(fù)雜性，會(huì)使這些信息摻雜著一些“干擾”，從而會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)障礙的處理12這里主要處理的是靜態(tài)障礙，不考慮動(dòng)態(tài)障礙。其一般的處理方法如下：（1）不規(guī)則障礙物。將不規(guī)則障礙物規(guī)則化，均按矩形處理。（2）靠墻邊的障礙物。對(duì)于墻邊存在的障礙物，如書架、衣柜等，往往將其視作墻壁，所以，拖地機(jī)器人在工作時(shí)沿此障礙物邊緣行走。

（3）非靠墻的障礙物。機(jī)器人在清掃第一圈時(shí)，是不會(huì)碰到障礙的。對(duì)這類障礙物，簡單來說沿著墻壁的方向行走就能避免與之碰撞。（4）拖地機(jī)器人移動(dòng)過程中的角度調(diào)整。拖地機(jī)器人每走完一圈，都會(huì)轉(zhuǎn)換四種不同的方向（上下、左右）。因此，每一次轉(zhuǎn)向都要判斷、調(diào)整移動(dòng)中的坐標(biāo)和角度。基于柵格地圖模型的環(huán)境建模方法13（b）環(huán)境數(shù)學(xué)模型（a）被均勻劃分為若干柵格的環(huán)境圖3-3柵格地圖14基于柵格地圖模型的建模方法就是將實(shí)際環(huán)境置于坐標(biāo)系下，將移動(dòng)機(jī)器人障礙物區(qū)域與工作區(qū)域劃分為若干個(gè)柵格，并根據(jù)障礙物與非障礙物區(qū)域的不同，確定每個(gè)柵格的狀態(tài)。假設(shè)機(jī)器人工作環(huán)境的最大長度為L

，最大寬度為

W，每個(gè)柵格的大小（長和寬）均為

ε，則環(huán)境地圖中的柵格數(shù)為(L/ε)(W/ε)。在實(shí)現(xiàn)上，用一個(gè)二維數(shù)組就可以表示機(jī)器人工作環(huán)境的障礙物區(qū)域與工作區(qū)域?；跂鸥竦貓D法建立的環(huán)境地圖如圖3-3(a)所示，環(huán)境已經(jīng)被均勻地劃分為若干個(gè)柵格，圖中黑色柵格為障礙物區(qū)域，空白柵格為可工作區(qū)域。在程序中，通常采用一個(gè)二維數(shù)組來表示柵格地圖，數(shù)組中元素的值代表對(duì)應(yīng)柵格的狀態(tài)，數(shù)組元素的下標(biāo)表示對(duì)應(yīng)柵格在二維平面中的位置。圖

3-3(b)為圖

3-3(a)所示柵格地圖在程序中對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組，0表示對(duì)應(yīng)柵格為障礙物區(qū)域，1表示對(duì)應(yīng)柵格為可工作區(qū)域。柵格化下的地圖15結(jié)果分析16由于覆蓋過程中轉(zhuǎn)彎次數(shù)過多，機(jī)器人不得不頻繁的加減速，使整體的覆蓋效率降低。清潔機(jī)器人在清掃過程中，移動(dòng)的角度會(huì)出現(xiàn)偏差，從而會(huì)有未覆蓋到的區(qū)域，亦會(huì)使覆蓋率降低。避障過程中，受機(jī)器人左右輪速的控制及加減速等因素的影響，機(jī)器人到障礙物的實(shí)際距離會(huì)在

0.3m附近來回波動(dòng)，從而產(chǎn)生誤差。往返式路徑在遇到與運(yùn)動(dòng)方向垂直的并接近邊界障礙則形成死點(diǎn)，無法進(jìn)入被擋住的區(qū)域，從而影響覆蓋率和重復(fù)率。由于內(nèi)螺旋式“回”字型路徑邊清掃邊掃描邊獲取環(huán)境信息的方式缺少整體的規(guī)劃性，使得環(huán)境中重復(fù)清掃的部