清掃機(jī)器人路徑規(guī)劃方法研究

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1、清掃機(jī)器人路徑規(guī)劃方法研究大連市第十三中學(xué)，遼寧大連116000摘要：近年來(lái)，智能清掃機(jī)器人系統(tǒng)的研究和開發(fā)己只備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在的智能清掃機(jī)器人通過(guò)軟硬件的合理設(shè)計(jì)，使其能夠自動(dòng)避開障礙物，實(shí)現(xiàn)一般家居環(huán)境及特定戶外環(huán)境的自主清掃工作。木文簡(jiǎn)單介紹了清掃機(jī)器人基于無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃的只體辦法。關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人、無(wú)環(huán)境模型、路徑規(guī)劃一、緒論機(jī)器人的研究在日木和歐美的一些發(fā)達(dá)國(guó)家的研究相對(duì)比較深入，同時(shí)也取得了很多顯著的成果。國(guó)內(nèi)關(guān)于清掃機(jī)器人的研宄也取得了極大的進(jìn)展。我國(guó)繼清華大學(xué)于1994年通過(guò)智能清掃機(jī)器人鑒定之后，陸續(xù)有中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化

2、所研制了全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)；2001年香港城市大學(xué)完整地研宄了地面清掃機(jī)器人的導(dǎo)航、控制及整個(gè)硬件系統(tǒng)；2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位地面清掃機(jī)器人?？偠灾?清潔機(jī)器人的研究正在快速發(fā)展，并且也越來(lái)越深入，但是還有需要完善和改進(jìn)的地方，例如清潔機(jī)器人的避障問(wèn)題，路徑規(guī)劃等等，所以針對(duì)清掃機(jī)器人進(jìn)行一系列的技術(shù)研究探討是相當(dāng)有意義的。二、基于無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃IX域的合理完全路徑

3、覆蓋，同時(shí)實(shí)現(xiàn)封閉IX域內(nèi)機(jī)器人行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)率。目前全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃有兩種，一種是無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃，另一種是基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃。木文主要著重介紹無(wú)環(huán)境規(guī)劃的整個(gè)過(guò)程。無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃不需要建立環(huán)境模型，有隨機(jī)遍歷路徑規(guī)劃和全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃兩種模式。機(jī)器人在清掃的時(shí)候比較自由，一般都是采用遞進(jìn)的方式，清掃完這個(gè)直線再偏移一段距離，掉頭清掃另外一條直線，以達(dá)到全區(qū)域清掃，本文也著重介紹無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃?；跓o(wú)環(huán)境模型的依據(jù)邊界的路徑規(guī)劃方法三、基于無(wú)環(huán)境模型的路徑規(guī)劃具體方法(一)建立房間邊界首次在未知空間內(nèi)行駛吋，小車所能

4、記錄的信息為兩種，一種是小車兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪行駛路程L1與L2,另一種是各傳感器被觸發(fā)的狀態(tài)。下圖是小車在某轉(zhuǎn)角處的路線圖，根據(jù)以上特點(diǎn)及為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)，我們可以建立如下規(guī)則。軌跡計(jì)算原理，數(shù)據(jù)處理規(guī)則。(1)小車轉(zhuǎn)角計(jì)算若小車沿某一物體邊緣轉(zhuǎn)過(guò)θ角，則可以通過(guò)如下公式求算θ角規(guī)定為行走吋小車的拐角，規(guī)定連續(xù)經(jīng)過(guò)多個(gè)拐角吋，為各自拐角的和。(2)小車行程的計(jì)算小車行程的計(jì)算可以按照兩驅(qū)動(dòng)輪軌跡線的中心線即可代表小車行駛時(shí)的軌跡，小車行車記錄為：(3)機(jī)器人沿著邊界行駛機(jī)器人選擇任意一方向?qū)ふ疫吔?，找到邊界后，小車沿邊界方向前進(jìn)直到遇到拐角。行

5、進(jìn)過(guò)程中根據(jù)傳感器狀態(tài)確定內(nèi)外側(cè)路徑，確定完內(nèi)外側(cè)后，小車前進(jìn)過(guò)程中所記錄的拐角的符號(hào)也便確定。首次遇到拐角吋，小車開始記錄行進(jìn)狀態(tài)，首次記錄吋，只記錄轉(zhuǎn)角值，行進(jìn)數(shù)值記錄為0,記錄的信息為小車在拐角處的轉(zhuǎn)過(guò)θ及小車距離上一拐角處的路程L。小車在每一拐角處均記錄θ與S，并計(jì)算累積轉(zhuǎn)角。如此記錄便得到一個(gè)序列當(dāng)小車符合冋到記錄起點(diǎn)的判定條件吋，則記錄結(jié)束。當(dāng)小車行走到第Pn+1點(diǎn)時(shí)，若累積轉(zhuǎn)角Θ等于2π，并且Pn+1與Pl距離足夠小時(shí),我們認(rèn)為Pn+1與記錄初始點(diǎn)重合。這吋所記錄的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)有n個(gè)。當(dāng)小車回到記錄起始點(diǎn)處，則記錄

6、的數(shù)據(jù)為(1)邊界描繪方法：由繪制地圖。此處我們引入一種計(jì)算直線方程的數(shù)學(xué)方法，設(shè)己知平面坐標(biāo)系內(nèi)有一條過(guò)的直線，其方程為，假設(shè)冇這么一條直線，是直線以P點(diǎn)逆吋針?lè)较蛐D(zhuǎn)θ角得來(lái)的，求的直線方程?？紤]斜率均存在的情況。設(shè)的斜率分別為。代入，得，所以的方程為代入整理的建立坐標(biāo)系，我們選擇初始記錄的兩點(diǎn)。⑸計(jì)算路徑S1方程及起始坐標(biāo)取小車在在記錄點(diǎn)的數(shù)值，平面直角坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)分別為.所確定的直線方程為：計(jì)算S2時(shí)，我們可以理解為S2所在的直線是由直線在在逆吋針旋轉(zhuǎn)角得出的，可以用開頭引入的矩陣算法來(lái)處理。根據(jù)先前的記錄的數(shù)組，取，代入矩陣公式得到的方程:，起

7、點(diǎn)為前一線段的終點(diǎn)。(6)計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)可以理解為點(diǎn)是在點(diǎn)基礎(chǔ)上沿向量方向行走距離后所得到點(diǎn)，為此引入單位向量，設(shè)是第條直線段的單位向量，II方向由，第的坐標(biāo)設(shè)為，則冇采用第五步中所述的方法即可計(jì)算出第條線段的方程:起始點(diǎn)的坐標(biāo)為：。當(dāng)累積轉(zhuǎn)角，且與起點(diǎn)重合吋(受行進(jìn)誤差影像，實(shí)際上兩坐標(biāo)點(diǎn)是不可完全重合，在計(jì)算吋，只要兩點(diǎn)足夠接近，我們便認(rèn)為兩點(diǎn)重合)，機(jī)器人即完成一條封閉圖線框的繪制，利用此方法不僅可以建立房間的邊界，而且還可以建立障礙物的邊界幾何表達(dá)公式。(二)路徑規(guī)劃方法機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中遇到障礙物，首先根據(jù)事先創(chuàng)建好的房間邊界幾何公式，判斷是否