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(kāi)發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。現(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(kāi)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。本文簡(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)劃的具體辦法。

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)器人的研究在日本和歐美的一些發(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)器人的研究也取得了極大的進(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)完整地研究了地面清掃機(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(kāi)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)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，同時(shí)實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)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。本文主要著重介紹無(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)行駛時(shí)，小車所能記錄的信息為兩種，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)定為行走時(shí)小車的拐角，規(guī)定連續(xù)經(jīng)過(guò)多個(gè)拐角時(shí)，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。

首次遇到拐角時(shí)，小車開(kāi)始記錄行進(jìn)狀態(tài)，首次記錄時(shí)，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)小車符合回到記錄起點(diǎn)的判定條件時(shí)，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P1距離足夠小時(shí)，我們認(rèn)為Pn+1與記錄初始點(diǎn)重合。這時(shí)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，則記錄的數(shù)據(jù)為

（4）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)已知平面坐標(biāo)系內(nèi)有一條過(guò)的直線，其方程為，假設(shè)有這么一條直線，是直線以P點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)θ角得來(lái)的，求的直線方程。

考慮斜率均存在的情況。設(shè)的斜率分別為。

代入，得，

所以的方程為

代入整理的

所以

用矩陣表示：

建立坐標(biāo)系，我們選擇初始記錄的兩點(diǎn)。

（5）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時(shí)針旋轉(zhuǎn)角得出的，可以用開(kāi)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