智能清掃機(jī)器人路徑規(guī)劃及自動充電系統(tǒng)研究

1、廿廿訂廿：弘學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者：三曼日期：滬，年月歹日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸屬鄭州大學(xué)。根據(jù)鄭州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)鄭州大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索

2、，可以采用影印、縮印或者其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。本人離校后發(fā)表、使用學(xué)位論文或與該學(xué)位論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，第一署名單位仍然為鄭州大學(xué)。保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。學(xué)位論文作者：顯，、，、日期：年易月；日摘要摘要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人們生活水平的提高，家用服務(wù)機(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的生活，其中智能清潔掃地機(jī)最為人們喜愛，它的出現(xiàn)不僅減輕了人們的生活負(fù)擔(dān)，提高了人們的生活水平，更標(biāo)志著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。智能清潔機(jī)器人通過自身對環(huán)境信息的認(rèn)識規(guī)劃清潔路徑。它在工作時，不斷掃描周圍環(huán)境，由環(huán)境信息構(gòu)建信息地圖，再由定位模塊計算當(dāng)前所處位置及己清掃區(qū)域，規(guī)劃路徑的同時進(jìn)行清掃。清

3、潔機(jī)器人裝有電量監(jiān)測裝置，當(dāng)電量低于臨界值時，機(jī)器人暫停當(dāng)前正在運(yùn)行的程序，保存當(dāng)前狀態(tài)，開啟自動充電模式，自動尋找充電站，正確對接后實(shí)現(xiàn)充電。充滿電后，讀取充電前的狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行被暫停的程序。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文改進(jìn)了路徑規(guī)劃及自動充電系統(tǒng)，使清潔機(jī)器人更好地為人們服務(wù)。主要從以下幾個方面改進(jìn)：、對環(huán)境邊界的建立不使用激光掃描，而是采用幾何表達(dá)方法線性描述。、尋找充電站的時候，一般都采用紅外發(fā)射，但是紅外發(fā)射距離有限，在尋找不到的時候要沿著墻壁前進(jìn)來找充電站，比較浪費(fèi)時間同時耗費(fèi)電量。本文采用極坐標(biāo)的方法，定位此時機(jī)器人的位置，以及一個已經(jīng)設(shè)定好的充電站位置，機(jī)器人根據(jù)坐標(biāo)朝著充電站前進(jìn)

4、，在進(jìn)入紅外接收區(qū)域之后，再使用紅外設(shè)備進(jìn)行對接充電。、清掃機(jī)器人大多采用圓形外觀，對墻角的清潔不便，本文采用一種帶有圓角的方形外觀，不僅能夠解決問題，而且美觀。、機(jī)器人的清掃過程中遇到障礙物要避開，但是每次檢測到這個障礙物都要繞開，這樣會浪費(fèi)時間和電量。本文采用一種型方法，在檢測到障礙物時候先繞著障礙物走一圈計算其邊界幾何表達(dá)公式，然后回到最初檢測到障礙物的位置，掉頭進(jìn)行型路徑，當(dāng)檢測到該邊界盡頭時，再到障礙物的右上角繼續(xù)開始型清掃。關(guān)鍵詞：邊界紅外線坐標(biāo)充電對接外觀鋤，印，雞，破鏟答，肌印，鋤強(qiáng)鋤五】，穢】，玎鋤，向黟鋤，撕：、瓶砌；、鶘，?。撼?。、，鋤如、，鶘唱，鶘“，“曲，“”：；

5、仔；略；目錄目錄摘要緒念。課題研究背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀課題研究內(nèi)容和意義清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計電源選擇電機(jī)選擇移動機(jī)構(gòu)設(shè)計傳感器設(shè)計里程計超聲傳感器激光測距儀紅外接近傳感器紅外測距傳感器。激光測距雷達(dá)外形設(shè)計本章小結(jié)清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃清掃路徑規(guī)劃?；诃h(huán)境模型的路徑規(guī)劃無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃目錄基于無環(huán)境模型的依據(jù)邊界的路徑規(guī)劃方法全區(qū)域避障系統(tǒng)尋找充電站路徑規(guī)劃己知環(huán)境二維地圖的路徑規(guī)劃方法未知環(huán)境中的路徑規(guī)劃方法基于事例的學(xué)習(xí)規(guī)劃方法清掃機(jī)器人尋找充電站本章小結(jié)自充電系統(tǒng)設(shè)計非接觸式充電無線充電的原理：無線充電的主流技術(shù)無線充電的設(shè)計接觸式充電電量監(jiān)測系統(tǒng)尋找充電站系統(tǒng)設(shè)計自主對接功能實(shí)現(xiàn)本章

6、小結(jié)實(shí)驗(yàn)分析清掃模式實(shí)驗(yàn)分析充電模式實(shí)驗(yàn)分析本章小結(jié)總結(jié)與展望?？偨Y(jié)展望參考文獻(xiàn)目錄附錄個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果致謂緒論緒論課題研究背景早在世紀(jì)年代，歐美國家的科學(xué)家們就已經(jīng)開始研究清潔機(jī)器人，以減輕人們的勞動強(qiáng)度，提高人們的生活質(zhì)量。清潔機(jī)器人的研究，融合了許多技術(shù)，包括機(jī)械學(xué)，動力學(xué)，傳感檢測，控制理論，計算機(jī)編程，電子電路學(xué)以及人工智能學(xué)【】。融合這些學(xué)科需要很強(qiáng)的研發(fā)隊(duì)伍，科學(xué)家們從一開始的機(jī)械研究，逐步深入到智能控制，終于完成了第一臺清潔機(jī)器人，它可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域打掃，但是對障礙物的判斷缺乏準(zhǔn)確性，有時候碰上了還繼續(xù)前進(jìn)，隨后各國科學(xué)家都開始研究家用機(jī)器人?，F(xiàn)在，國內(nèi)外

7、對掃地機(jī)器人的研究都有了一定的進(jìn)步，這不僅體現(xiàn)在功能的完善，在外形上變化也逐步縮小，盡量滿足地面的全區(qū)域覆蓋式的清潔。盡管清潔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展還未達(dá)到期望的程度，但是清潔機(jī)器人正在滲透到我們的家庭生活中，逐漸地為人們提供生活便利，提高生活質(zhì)量【?，F(xiàn)代社會人們生活質(zhì)量的提高，將為清潔機(jī)器人創(chuàng)造更為廣闊的市場。就中國而言，計劃生育的執(zhí)行控制了人口的過快增長，在某一個時期一家只有一個孩子，這造成現(xiàn)在老年人非常多，當(dāng)然是相比新生兒來說，在某些公司里面，老員工越來越老，而新員工卻太年輕，老年人不能退休，家務(wù)卻還必須要做，這些勢必帶動家庭清潔機(jī)器人進(jìn)入人們的日常生活中，也必將促進(jìn)清潔機(jī)器人技術(shù)的更快發(fā)展。

8、在不久的將來，清潔機(jī)器人將走進(jìn)千家萬戶，改善人們的生活方式，提高人們的生活質(zhì)量，成為人類的得力助手。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前智能機(jī)器人在國內(nèi)外的研究越來越多，從最初的好奇研究到后來的重視，智能清潔機(jī)器人作為大眾喜歡的家用機(jī)器人受到各界人士的好評，越來越多的科學(xué)家在科技創(chuàng)新方面尋求更高。是世界上第一臺能夠自動完成房間地面清掃的清潔機(jī)器人，現(xiàn)在市緒論場價格元臺，它具有四種自動清潔程序，不需監(jiān)控【。在車身上安裝有距離傳感器，當(dāng)檢測到樓梯的時候及時停止，防止墜落；設(shè)有定時器，可以設(shè)定小時制的時間點(diǎn)開始清潔；有監(jiān)測電量的裝置，實(shí)時監(jiān)測電量，當(dāng)電量快用完時候，可以自己按照事先設(shè)定好的路徑，到達(dá)固定的充電場所進(jìn)行

9、充電；電源待機(jī)時間為分鐘；采用隨機(jī)遍歷路徑規(guī)劃進(jìn)行避障；外觀上采用光碟式外形，可以進(jìn)入某些家具（比如沙發(fā)等）底面清潔。圖清潔機(jī)器人日本日立制作所在年月宣布，成功開發(fā)出家用清潔機(jī)器人，清潔機(jī)器人的直徑【】；速度§，打掃房間非?？欤豢蛇b控操作，采用螺旋式行走方式進(jìn)行清掃，機(jī)器人底部有一個最大可以伸出的可動吸口，走到角落位置會自動伸出進(jìn)行角落清掃。英國公司生產(chǎn)的第一代真空吸塵器，在導(dǎo)航和路徑規(guī)劃上也采用螺旋式行走方式，并且?guī)в杏洃浌δ?，清楚記得清掃過的地方，提高電池利用率，并且?guī)в凶詣映潆姽δ?。類似產(chǎn)品還有瑞典公司開發(fā)的全自動智能吸塵器。著名的家電公司伊萊克斯推出了他們的清潔機(jī)器人“三葉蟲

10、”，高，直徑，通過隨機(jī)路徑規(guī)劃進(jìn)行清掃。美國的公司憑借其長期在軍用機(jī)器人方面的積累，于年推出。國內(nèi)對于清潔機(jī)器人的研究也是火熱進(jìn)行中，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)合作研制了全方位移動地面清潔機(jī)器人，該機(jī)器人具有遙控操作和自主操作兩種方式，并且具有智能電源管理功能；浙江大學(xué)設(shè)計成功國內(nèi)第一個具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人，它利用超聲波傳感器測距，與墻壁保持一定距離行走，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑，清掃結(jié)束后自主充電【。緒論課題研究內(nèi)容和意義清潔機(jī)器人主要工作環(huán)境為普通家庭，也可以用于展覽館，圖書館等公共場所，要求環(huán)境封閉，地面平整，所以需要對環(huán)境有很好的適應(yīng)性；其主要

11、任務(wù)是清掃地面，主要針對灰塵、頭發(fā)等小尺寸物件，大尺寸物件不作為清掃對象，所以在清潔地面的同時要避開大尺寸物件，需要有很好的避障功能；同時，清潔機(jī)器人自帶電源，并且時刻監(jiān)測電量，發(fā)現(xiàn)電量低，要自動尋徑尋找充電站進(jìn)行充電。綜上所述，本課題研究的主要內(nèi)容有：（）清潔路徑規(guī)劃（）避障功能實(shí)現(xiàn)（）自充電系統(tǒng)研究通過對這些內(nèi)容的深入研究，彌補(bǔ)不足之處，使清潔機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域覆蓋地進(jìn)行清潔，并且在清潔過程中避免浪費(fèi)更多電量，同時不會遺漏凹槽形狀的空地清潔，尋找充電站的時候采用最短時間最短路徑進(jìn)行路徑規(guī)劃，以節(jié)約時間，使清潔機(jī)器人更好地為人們服務(wù)。清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計清潔機(jī)器人需要完

12、成的任務(wù)總體可以分為兩部分：清潔和充電，所以需要有機(jī)器人本體和充電站基座兩部分硬件。機(jī)器人本體在清潔前需要對環(huán)境了解，清潔過程中需要檢測障礙物，并且自動避開障礙物，時刻監(jiān)測電量，發(fā)現(xiàn)電量低于某值時尋找充電站，并自動對接；充電基座主要負(fù)責(zé)為機(jī)器人提供電能。所以總體硬件包括電源、驅(qū)動裝置、電機(jī)、傳感檢測裝置、電量監(jiān)測裝置、充電站裝置，本章介紹機(jī)器人硬件設(shè)計。電源選擇電源系統(tǒng)是機(jī)器人的能量來源，決定機(jī)器人是否能夠完成任務(wù)，是其他一切子系統(tǒng)能夠完成正常工作的保障。機(jī)器人的有效工作時間由電池容量決定；電池是否可以二次使用由電池是否可以充電決定【】；同時，電池的大小和重量，也影響機(jī)器人的外形大小以及有效工

13、作時間，所以對電池的選擇必須結(jié)合以上幾種因素共同選擇。以下列舉幾種電池及其性能：表各種電池及其性能清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計在移動機(jī)器人中，經(jīng)常采用鎳鎘電池、密封鉛酸電池和鎳氫電池等具有可充電性的高容量電池。鎳鎘電池價格便宜，內(nèi)阻小，但是容易產(chǎn)生記憶效應(yīng)哺：鎳氫電池容量大，可儲備電量多，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，并且對環(huán)境無污染。但是價格非常昂貴；密封鉛酸電池尺寸偏大。這里考慮到清潔機(jī)器人在工作過程中不僅有驅(qū)動系統(tǒng)需要能量，吸塵部分也需要能量，甚至控制系統(tǒng)也需要能量，而且外形盡量要小，所以使用的是節(jié)的（鎳氫）電池。雖然價格較貴，但是用在需要長期使用的移動清潔機(jī)器人上，還是比較理想的。電機(jī)選擇電

14、動機(jī)是控制系統(tǒng)的輸出設(shè)備，其輸出軸同機(jī)器人的運(yùn)動裝置相連，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動運(yùn)動裝置產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動作控制。直流伺服電動機(jī)對驅(qū)動輪的動力比較大，而且使用起來穩(wěn)定，但是存在電刷摩擦等不可靠因素；交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，不會出現(xiàn)直流伺服電機(jī)的摩擦現(xiàn)象，但是容易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象；步進(jìn)電機(jī)顧名思義一步一步進(jìn)行的，可以實(shí)現(xiàn)精確移動，但是過載能力差、不平衡。無刷直流電機(jī)比較輕，轉(zhuǎn)動慣量也比較低，加入永磁材料后，這種電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好、調(diào)速范圍廣、壽命長、維護(hù)方便、噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題【?？紤]到節(jié)能，調(diào)速方便等方面，通過選擇，本系統(tǒng)采用無刷直流永磁電動機(jī)，

15、它可以保持原“直流電機(jī)”的優(yōu)點(diǎn)，失去成本優(yōu)勢但不存在拉弧問題，是未來電機(jī)的主流方向。移動機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人平臺的移動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的一個關(guān)鍵組成部分，它直接影響到整個機(jī)器人的運(yùn)動精度、靈活度乃至整個系統(tǒng)的可靠性【。目前研究中，常采用的移動機(jī)構(gòu)有：輪式、履帶式和腿足式。其中輪式機(jī)器人在家庭中應(yīng)用最廣泛，履帶式機(jī)器人經(jīng)常用在地面不平的坑洼之地，腿足式很少見，目前大多只是模型階段，沒有出現(xiàn)整機(jī)，一般都在電視劇和電影中才顯示過虛擬的各種打斗，外形類人?？紤]到所研究的機(jī)器人在平整地面移動，采用結(jié)構(gòu)簡單的輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，而且輪清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計式移動機(jī)器人控制簡單，運(yùn)動單位距離所消耗的能量最小，通常比履帶式和腿

16、足式移動速度快，反應(yīng)靈敏，所以本文選擇輪式移動機(jī)構(gòu)。在驅(qū)動方式上，輪式移動機(jī)構(gòu)大體上可以分為導(dǎo)向驅(qū)動式和差分驅(qū)動式兩種，由驅(qū)動輪和控制方向的輪子是否一個來區(qū)分。輪式移動機(jī)構(gòu)根據(jù)車輪數(shù)量和種類的不同，可以分為獨(dú)輪、雙輪、三輪、四輪、多輪、全方位移動機(jī)構(gòu)等。獨(dú)輪機(jī)器人和雙輪機(jī)器人分別采用一個輪子和兩個輪子進(jìn)行移動，由于平衡控制問題難度比較大，穩(wěn)定性和可靠性差，運(yùn)動環(huán)境也受到一定限制，在實(shí)際應(yīng)用中價值不大，這里也不采用這兩種方式。在室內(nèi)應(yīng)用最多的就是三輪機(jī)構(gòu)和四輪機(jī)構(gòu)，三輪機(jī)構(gòu)重心穩(wěn)定，控制比較方便，比如我們常見的三輪機(jī)動車，由前輪控制方向，后面兩個輪子驅(qū)動前進(jìn)，方向變化性大，不容易精確控制方向，所

17、以本文采用四輪移動機(jī)構(gòu)，前進(jìn)后退都四輪一致進(jìn)行，同時考慮到后文路徑規(guī)劃時候的方便性，四輪機(jī)構(gòu)也是比較理想的選擇。傳感器設(shè)計輪式機(jī)器人移動過程中，需要很多數(shù)據(jù)，比如位移、速度、距離等需要控制和監(jiān)測，傳感器是機(jī)器人的眼睛，對檢測障礙物非常重要，需要傳感器來對各種參數(shù)進(jìn)行可靠地檢測。傳感器分外部傳感器和內(nèi)部傳感器，內(nèi)部傳感器有磁羅盤，編碼器，加速度器，位移傳感器，位置傳感器等，是用來檢測自身狀態(tài)的，比如輪子的轉(zhuǎn)速，位移，加速度及其空間位姿。外部傳感器有接觸式和非接觸式的，目前常用的有激光測距傳感器，超聲傳感器，紅外傳感器，測距雷達(dá)等。本文的設(shè)計是室內(nèi)清潔機(jī)器人，由于工作環(huán)境不固定，所以需要一系列外部

18、傳感器來對環(huán)境進(jìn)行識別，識別出哪個地方是邊界，同時在清潔過程中需要實(shí)時避開前方障礙物，所以我們需要測距傳感器和一些接觸式傳感器，在機(jī)器人前后左右四個邊界各需要兩個測距傳感器，前后各兩個接觸傳感器，底部的前后各需要兩個測距傳感器來檢測樓梯等可能掉落區(qū)域。同時，我們需要了解機(jī)器人的移動速度和位姿，需要編碼器，磁羅盤，加速度傳感器等內(nèi)部傳感器。下面介紹幾種常用的傳感器。清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計里程計里程計是一種位置傳感器，其原理是通過安裝在輪子上的旋轉(zhuǎn)編碼器計算輪子轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，然后根據(jù)輪子的直徑計算輪子的周長，從而得出機(jī)器人行走的距離。超聲傳感器超聲傳感器不貴，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，所以經(jīng)常被用到移動機(jī)器人上，

19、用于檢測障礙物，測量距離等【】。超聲傳感器由超聲頭和信號處理電路組成，超聲頭產(chǎn)生和接受聲波，測距原理比較簡單，從發(fā)射超聲波開始，到接收到返回的超聲波的時間與超聲波在空氣中傳播速度，就是來回的總距離【】，一般就是前方障礙物到超聲傳感器的距離，但是也受到環(huán)境溫度的影響，所以有公式：三杪亡是超聲傳感器痛障礙物之間的距離是從超聲波發(fā)射到接收到返回的聲波之間的時間間隔（）廠杪是超聲波在空氣中的傳播速度，一般為、去為環(huán)境溫度由于這種工作原理，所以要求聲波是按照原路返回，但是現(xiàn)實(shí)中的物體或多或少存在一定的反射，特別是鏡面反射，會造成誤差，而且超聲波傳感器在發(fā)射的瞬間，部分聲波會直接進(jìn)入接收端，造成串?dāng)_現(xiàn)象，

20、產(chǎn)生盲區(qū)，障礙物在盲區(qū)是不能被超聲波傳感器檢測到的。超聲波在空氣中的傳播速度也比較低，采樣率也不會很高。激光測距儀激光測距有兩種方式，脈沖法和相位法，脈沖法的測距原理和超聲波的一樣，測距原理和結(jié)構(gòu)簡單，測程遠(yuǎn)，消耗能量小，但是測量精度不甜】。相位法是通過對光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制波從發(fā)射地出發(fā)，到達(dá)障礙物之后被反射回去，再回到發(fā)射波的地方被接收，不直接利用速度和時間來計算距離，而是利用清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計類似平面鏡成像的原理，將障礙物當(dāng)做平面鏡，那么在另一側(cè)會有一個發(fā)射地點(diǎn)的鏡像，利用發(fā)射點(diǎn)到鏡像之間的距離得出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。公式如下：三丟）（）冗相位周期為丌，則妒（）三三）（）導(dǎo)（）

21、其中：緲為光波相位改變；為相位變化整周期數(shù)；為相位變化非整周期數(shù)；九為調(diào)制波長；（）為調(diào)制頻率；為光速。相位測距法相比脈沖法測量精度高。但是激光不能感應(yīng)透明物體，所以在環(huán)境中如果有鏡子或者表面非常光滑產(chǎn)生鏡面反射的物體，將不能夠被探測到，而且激光測距儀價格比較昂貴。紅外接近傳感器顧名思義，接近傳感器就是在接近障礙物的時候釋放信號。紅外接近傳感器發(fā)射紅外信號，當(dāng)前方遇到障礙物之后信號被反射回來，這時候就判定前方接近了障礙物，隨即傳給主機(jī)，等待命令。紅外測距傳感器紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射和接收的二極管，利用紅外線到達(dá)障礙物之后的反射來計算距離，測量需要的時間比較短，而且應(yīng)用起來比較方便快

22、捷【。同時紅外測距傳感器測量出來的距離不受反射角度的影響，而且與反射物體的顏色和材質(zhì)也無關(guān)，但是紅外傳感器測得的距離，跟電源輸出電壓之間的關(guān)系不是線性的，所以在使用的時候，最好多測量數(shù)據(jù)【”】。不過應(yīng)用在對精確度要求不高的場合是非常合適的，比如檢測樓梯等。清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計激光測距雷達(dá)前面所說的幾種傳感器，在移動機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用都比較廣泛，但是都有一個共同的缺點(diǎn)，就是在獲得周圍環(huán)境的精確信息方面，還有待研究，超聲傳感器具有盲區(qū)，無法測量近距離的物體，紅外傳感器測量距離有限，遠(yuǎn)處的又無法探測到，激光測距儀對鏡面反射物體又無法感應(yīng)，所以，在需要對環(huán)境進(jìn)行精確感應(yīng)的時候，激光測距雷達(dá)是最理想的傳感器

23、，其工作原理通常是利用旋轉(zhuǎn)的激光光源，經(jīng)過反射鏡發(fā)射到環(huán)境中，然后經(jīng)過傳感器敏感元件接收，通過計算發(fā)射和接收的時間差來達(dá)到測距的目的，它測量范圍廣，掃描頻率高，測量精度甜】。激光測距雷達(dá)雖然避免了其他測距傳感器的缺點(diǎn)，但是自身的價格比較昂貴，而且尺寸大，質(zhì)量也不輕，只有在針對一些富豪之類的家庭，才會出售安裝了這種傳感器的機(jī)器人。外形設(shè)計機(jī)器人的外形必須跟驅(qū)動機(jī)構(gòu)緊密結(jié)合，輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以安裝在機(jī)身的下面，所以在寬度方面，機(jī)器人可以盡量小。機(jī)器人的外形無非是方形和圓形兩種，市場上現(xiàn)有的大多是圓形的。但是，清潔機(jī)器人是要用在室內(nèi)的，如果是圓形的，在一些拐直角內(nèi)角處，無法清理住角落，會留下一個扇形區(qū)

24、域，而在這種區(qū)域非常容易藏垃圾；如果選用方形，雖然可以解決邊角問題，但是不美觀，而且機(jī)器人本體邊角處容易刮到室內(nèi)陳放物，為此，本文采用帶有圓角的方形外觀，盡可能減小圓形外觀留下的扇形區(qū)域大小，使現(xiàn)有的吸塵功能可以將該區(qū)域內(nèi)的物品吸出。機(jī)器人在清掃過程中，需要將收集的垃圾存放在機(jī)身的垃圾收容處，所以需要一個空間來設(shè)置垃圾存放站，如果像我們平時清理垃圾一樣，在機(jī)器人機(jī)身后面單獨(dú)設(shè)置一個空間站，會造成機(jī)器人外形變大，不方便清理一些狹窄區(qū)域，而且轉(zhuǎn)向也會非常麻煩，甚至耗費(fèi)電量，降低有效清潔率，如果僅僅將豎向空間變大，對于一些家具的底部又無法進(jìn)行清潔。由于我們的設(shè)計針對的是室內(nèi)平整地面的小尺寸物件（如紙

25、片等）、灰塵、頭發(fā)等輕小垃圾，不需要占用太大的空間，所以我們選擇將垃圾存放站放在機(jī)身上。至此，我們完成了機(jī)器人的本體設(shè)計，其各種布置如圖所示。清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計，躐離傳感器？，接魅傳感器距離傳感囂（撿測高度），馬囂動電機(jī)，脈沖計數(shù)器，十算單元，驅(qū)動輪，清掃裝置，口，電接口圖清掃機(jī)器人外形以及各種硬件布置本章小結(jié)本章主要介紹了掃地機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成，包括電源，電機(jī)，驅(qū)動系統(tǒng)，傳感器以及機(jī)器人的外形設(shè)計，詳細(xì)介紹了電源的電量以及適合利用場合、各種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、傳感器的工作原理以及與本設(shè)計的契合度和機(jī)器人外觀詳細(xì)布局。通過對機(jī)器人各個部分的仔細(xì)選擇，擇優(yōu)排劣，選出最合適的構(gòu)成清掃機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，便

26、于下一步規(guī)劃。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃機(jī)器人要完成整個房間的打掃，不能無章法地亂竄，必須具有一定的路徑規(guī)劃規(guī)則。路徑規(guī)劃可以分為兩種，一種是點(diǎn)到點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃，一種是全區(qū)域覆蓋的路徑規(guī)劃。全區(qū)域覆蓋的路徑規(guī)劃是根據(jù)室內(nèi)環(huán)境信息，從起始點(diǎn)開始，按部就班一步一步地進(jìn)行移動，將整個房間都經(jīng)歷一遍之后回到起始點(diǎn)的路徑規(guī)劃。針對本文要研究的室內(nèi)掃地機(jī)器人而言，其清掃路徑規(guī)劃主要是實(shí)現(xiàn)對整個房間的地面清潔，并且有針對性地對局部區(qū)域進(jìn)行清潔，而其在電量不足時候要尋找充電器，并且規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑，所以需要同時用到點(diǎn)到點(diǎn)的路徑規(guī)劃和全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃。清掃路徑規(guī)劃機(jī)器人清掃地面的時候需要進(jìn)行

27、全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃，以期實(shí)現(xiàn)對房間的全面清掃。目前全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃有兩種，一種是基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃，另一種是無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃?；诃h(huán)境模型的路徑規(guī)劃機(jī)器人要想達(dá)到高質(zhì)量、無遺漏、無重復(fù)地清掃地面，必須建立環(huán)境模型，通過環(huán)境模型知道自己此刻所處位置，該往哪里清掃，哪些地方?jīng)]有清掃【】。目前有三種建立環(huán)境地圖模型的方法，分別是柵格法，幾何特征法，拓?fù)浞ā?。柵格法在許多機(jī)器人方面得到廣泛應(yīng)用。其思想主要是將二維環(huán)境理想化為有棱有角的形狀，分成個小單元，一般情況下，這個小單元就類似于機(jī)器人自身的大小，然后利用超聲傳感器對障礙物進(jìn)行檢測，根據(jù)每個單元被障礙物占有的概率來進(jìn)行環(huán)境建?！?。其準(zhǔn)確度

28、由每個柵格的大小來決定，柵格越小，分辨率越高，誤差越小，但是柵格小，數(shù)量就必然變大，這樣對于機(jī)器人的計算來說，就比較復(fù)雜，每次建立地圖以及對地圖的維護(hù)都比較浪費(fèi)時間。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃圖柵格地圖在利用柵格地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃的時候，機(jī)器人根據(jù)每個柵格被清掃的紀(jì)錄來進(jìn)行運(yùn)動，在清掃某個柵格的時候，就將該柵格賦予一個值，表明該處已經(jīng)清掃過，如果再次經(jīng)過此柵格，由于已經(jīng)被清掃，所以機(jī)器人就向左側(cè)或者右側(cè)柵格移動，來避開重復(fù)清掃。利用柵格地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃非常方便，只需要判斷每個柵格是否被打掃過就可以了，但是前面也說過，如果環(huán)境模型比較復(fù)雜，建立柵格地圖的時候就比較慢。幾何特征法：幾何特征法就是將地圖表現(xiàn)

29、成直線，曲線等幾何信息，利用傳感器檢測邊角，然后利用算法進(jìn)行計算之后，將房間的邊緣表現(xiàn)為直線，如果是復(fù)雜邊緣，也是用個直線段表現(xiàn)曲線【們。這種方法表現(xiàn)出來的地圖比較緊湊，而且方便估計位置和目標(biāo)，但是對傳感器的信息采集要求比較高，因?yàn)樵谶M(jìn)行計算的時候，需要用到距離問題，目前所采用的測距聲吶，超聲傳感器或者紅外測距傳感器都存在一定得誤差，需要進(jìn)行誤差校驗(yàn)，隨著激光測距儀的出現(xiàn)，技術(shù)的進(jìn)步，這種誤差問題也得到了解決，而且?guī)缀翁卣鞯貓D比柵格地圖更加緊湊，有利于移動機(jī)器人的實(shí)時定位，目前越來越多的機(jī)器人研究趨向利用幾何特征法構(gòu)建地圖。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃圖幾何特征地圖目前我們的幾何特征地圖都是用激光傳感

30、器先掃描出來，然后再與機(jī)器人的實(shí)際行走路線進(jìn)行匹配，來完善幾何地圖，地圖建立好之后，就可以根據(jù)障礙物的邊線來進(jìn)行路徑規(guī)劃，避開障礙物。拓?fù)浞ń⒌牡貓D比較緊湊，特別是環(huán)境大而且簡單時【。這種方法將環(huán)境表示為一張拓?fù)湟饬x中的圖，途中的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于環(huán)境中的一個特征狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)間存在直接連接的路徑相當(dāng)于途中連接節(jié)點(diǎn)的弧線【。比如把拐角，邊角，門，電梯，樓梯燈比作點(diǎn)，把他們之間的連線（比如墻邊、走廊等）比作弧線。同樣，拓?fù)鋱D的分辨率也決定于環(huán)境的復(fù)雜度【。利用拓?fù)浞ń⒌貓D不需要很大的建模時間和存儲空間，而且可以實(shí)現(xiàn)快速的路徑規(guī)劃，但是當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)兩個非常相似的地方時，利用拓?fù)浞ń⒌牡貓D不利于后期機(jī)器人

31、的定位【。無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃無環(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)器人在清掃的時候比較自由，一般都是采用遞進(jìn)的方式，清掃完這個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)清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃域清掃，本文也著重介紹無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃。隨機(jī)遍歷規(guī)劃顧名思義，隨機(jī)遍歷規(guī)劃就是沒有按照固定的值或者算法，而是機(jī)器人按照一定的速度一直進(jìn)行清掃，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物的時候，隨便轉(zhuǎn)過一個角度，繼續(xù)直行清掃，這種路徑規(guī)劃方法比較簡單，不需要借助很多的外部傳感器，編程簡單，控制器反應(yīng)速度也比較快，但是遇到障礙物之后隨機(jī)轉(zhuǎn)了一個角度之后再直行，不僅會漏掉部分區(qū)

32、域，而且還會造成其他區(qū)域的重復(fù)清掃，雖然在經(jīng)過幾遍清潔之后會打掃被漏掉的部分，幾乎可以將整個房間地面清潔干凈，但是卻對某些區(qū)域進(jìn)行了好多次的清掃，不僅浪費(fèi)電量，而且還浪費(fèi)時間。如下圖所示，機(jī)器人從紅色箭頭起點(diǎn)開始運(yùn)動，碰到障礙物之后隨機(jī)轉(zhuǎn)過一個角度，繼續(xù)前進(jìn)，只要碰到障礙物，包括墻壁，都會隨機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度，這樣累積下來，運(yùn)動方向不確定性非常大，重復(fù)率也很高，而且只清潔一遍的話遺漏率也很大，但是由于其算法簡單，不需要實(shí)時了解機(jī)器人的位姿情況，人力物力成本較低，所以受到很多廠家的認(rèn)可。圖隨機(jī)遍歷路徑規(guī)劃方法清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃完全遍歷路徑規(guī)劃相對隨機(jī)遍歷規(guī)劃而言，完全遍歷路徑規(guī)劃方法要求機(jī)器人工作

33、時候能夠?qū)⒍S空間中所有無障礙區(qū)域都一次性覆蓋，這就要求在遇到障礙物的時候，能夠按照一定的規(guī)則避開障礙物繼續(xù)進(jìn)行清潔并且保證不重復(fù)清潔，一般都是采用某種性能評價函數(shù)來控制機(jī)器人的遍歷運(yùn)動，以使性能評價函數(shù)達(dá)到最優(yōu)【。性能評價函數(shù)通常為清潔效率、清潔面積百分率、清潔重疊率、未清潔面積百分比或能量消耗率等¨。外螺旋遍歷算法外螺旋遍歷算法是指機(jī)器人開始工作后以螺旋放大的方式行走，螺旋放大就是根據(jù)阿基米德螺線進(jìn)行規(guī)劃【引。在運(yùn)動的過程中，不斷調(diào)整兩個驅(qū)動輪的速度比，就可以使機(jī)器人走出這種螺旋軌跡【。如圖所示，機(jī)器人按照阿基米德螺線規(guī)則開始沿著藍(lán)色線條以螺旋方式行走，機(jī)器人沒有檢測到前方有障礙

34、物的時候一直按照螺旋方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，一旦檢測或者觸碰到障礙物，則隨機(jī)轉(zhuǎn)過一個角度，前行一定距離之后，仍然照阿基米德螺線規(guī)則沿著紅色線條以螺旋方式行走，直到再次碰到障礙物，以此循環(huán)進(jìn)行，可以看到，紅色路徑和藍(lán)色路徑存在重疊現(xiàn)象，所以，外螺旋遍歷算法，在機(jī)器人沒有遇到障礙物的時候可以非常順利地對地面進(jìn)行無遺漏清掃，但是遇到障礙物之后，由于隨機(jī)轉(zhuǎn)向的不確定性，造成后來重復(fù)清掃，所以，這種遍歷算法，在室內(nèi)障礙物不多的情況下，最終會完成整個房間的清掃，但是一旦室內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，機(jī)器人在清潔過程中剛剛離開這個障礙物，就可能馬上遇到下一個障礙物，如此一來，不僅會造成重復(fù)率高，而且一些邊角還打掃不到，甚至在面對

35、一些凹形障礙物的時候會陷入死循環(huán)，所以，在選擇這種遍歷算法的時候，要考慮室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜度對清潔效率的影響。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃圖外螺旋路徑規(guī)劃方法內(nèi)螺旋遍歷算法內(nèi)螺旋遍歷算法是相對于外螺旋遍歷算法來說的，外螺旋遍歷算法是機(jī)器人一直向外前進(jìn)，而內(nèi)螺旋遍歷算法是讓機(jī)器人一開始就從最大范圍，即室內(nèi)邊界，開始向內(nèi)一圈一圈前進(jìn)。機(jī)器人首先沿著墻壁行走一圈，記錄墻壁的輪廓，然后每次到達(dá)出發(fā)點(diǎn)之后向內(nèi)移動一個距離，再繼續(xù)沿著跟墻壁平行的輪廓前進(jìn)，這樣以此類崔，直到到達(dá)房間中心。內(nèi)螺旋遍歷算法在室內(nèi)沒有陳放物品的時候非常容易實(shí)現(xiàn)，只需要記住每次新路徑的起點(diǎn)即可。但是，一般室內(nèi)是不可能這么理想的，所以，如果在進(jìn)

36、行新輪廓清理的時候遇到障礙物，避開障礙物的時候就必須改變與墻邊界平行的輪廓，這樣最初的算法就不能繼續(xù)使用，重新計算算法不僅浪費(fèi)時間，而且在整個障礙物區(qū)域清理結(jié)束之后，還要重新計算路徑，復(fù)雜度變高，所以，一般市場上很少有機(jī)器人利用這種算法，只有在特定空曠的場所使用的機(jī)器人才會使用這種遍歷算法。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃如圖簡單的方形邊界所示，當(dāng)下一步要走紅色路線的時候，遇到障礙物，原本的路線就必須修改。圖內(nèi)螺旋路徑規(guī)劃方法“井”字交叉遍歷算法“井”字交叉遍歷算法是非常普遍的全區(qū)域遍歷算法【，機(jī)器人首先按照“”型路線橫向遍歷一遍，然后再縱向遍歷一遍，遍歷過程中遇到障礙物就掉頭并且移動一個距離繼續(xù)進(jìn)行清掃

37、，這樣雖然會造成重復(fù)，但是頂多重復(fù)兩次，這種遍歷算法程序簡單，控制方便，而且房間的覆蓋率也比較大，現(xiàn)在很多室內(nèi)機(jī)器人都利用這種方法。但是這種方法也存在一個缺點(diǎn)，就是對于一些凹槽部位以及障礙物結(jié)束地點(diǎn)容易遺漏，如圖所示：按照這種畫法，區(qū)域和區(qū)域被遺漏，而且區(qū)域也很可能因?yàn)闄C(jī)器人起始方向的原因被遺漏。后來有研究者將被遺漏的地方歸結(jié)為凹槽程序，就是只要在機(jī)器人左右都檢測到障礙物，就將此處歸結(jié)為凹槽，跳出大循環(huán)，進(jìn)入小循環(huán)，單獨(dú)清理凹槽，等到凹槽清理結(jié)束之后，再回到大循環(huán)繼續(xù)清潔。但是區(qū)域還是被遺漏了。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃，、，、，、，清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃圖“”型路徑規(guī)劃方法建立房間邊界首次在未知空間

38、內(nèi)行駛時，小車所能記錄的信息為兩種，一種是小車兩個驅(qū)動輪行駛路程與，另一種是各傳感器被觸發(fā)的狀態(tài)。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。軌跡計算原理，數(shù)據(jù)處理規(guī)則。圖小車轉(zhuǎn)角幾何圖（）小車轉(zhuǎn)角計算若小車沿某一物體邊緣轉(zhuǎn)過。角，則可以通過如下公式求算角。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃一臼木（尺一）（）（）臼墜生：墜二墮尺一爿規(guī)定（）為行走時小車拐角，規(guī)定連續(xù)多個拐角求和為累積拐角，記為罕則障礙物的轉(zhuǎn)角為：口丌仇（）（）這里規(guī)定遠(yuǎn)離邊界一側(cè)的軌跡線為外側(cè)。與分別為轉(zhuǎn)角時外側(cè)與內(nèi)側(cè)驅(qū)動輪行駛長度，這兩個值可通過安裝在驅(qū)動輪上的脈沖計數(shù)器來間接測量。（）小車行

39、程計算同樣如圖所示，兩驅(qū)動輪軌跡線的中心線即可代表小車行駛時的軌跡，小車行程記錄為：（）沿任意封閉空間行駛一周的判定方法，如圖。（）圖行駛一周路線若小車從起點(diǎn)繞封閉線行駛一周有如下特點(diǎn)：一一木（）一沿任意封閉障礙物行駛一周的判定方法，如圖。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃圖行駛一周判定一丌；日即：丌在這個過程中，我們注意到斷定方法帶有局限性，如果起點(diǎn)在一條線段上，則小車轉(zhuǎn)一圈回到此線段上任一點(diǎn)，其轉(zhuǎn)動累積角均為（一），為解決此項(xiàng)不足，我們規(guī)定在進(jìn)行累積角計算時，將起點(diǎn)設(shè)置在某一拐角處。設(shè)機(jī)器人首次在未知空間內(nèi)行駛，當(dāng)前位置為尸點(diǎn)。如圖、圖所示圖機(jī)器人起點(diǎn)圖機(jī)器人從起點(diǎn)開始行駛清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃（）機(jī)器人

40、沿著邊界行駛機(jī)器人選擇任意一方向?qū)ふ疫吔?，其行動路線如圖中，；找到邊界后，小車沿邊界方向前進(jìn)直到遇到拐角，如圖中：。行進(jìn)過程中根據(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)過程中所記錄的拐角的符號也便確定。首次遇到拐角時，小車開始記錄行進(jìn)狀態(tài)，首次記錄時，只記錄轉(zhuǎn)角值，行進(jìn)數(shù)值記錄為，記錄的信息為小車在拐角處的轉(zhuǎn)過及小車距離上一拐角處的路程。小車在每一拐角處均記錄與，并計算累積轉(zhuǎn)角。如此記錄便得到一個序列（臼，）、（臼，）、（臼，）、（臼，）、（）（）當(dāng)小車符合回到記錄起點(diǎn)的判定條件時，則記錄結(jié)束。（）（）當(dāng)小車行走到第點(diǎn)時，若累積轉(zhuǎn)角等于±，并且，與距離足夠小時，我們認(rèn)為與

41、記錄初始點(diǎn)重合。這時所記錄的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)有個。當(dāng)小車回到記錄起始點(diǎn)處，則記錄的數(shù)據(jù)為（兮，）、（，）、（，是）、（，矗）編寫程序時，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)保存，保存在數(shù)組中，保存在數(shù)組中。（）計算邊界夾角。圖邊界夾角幾何表達(dá)障礙物的轉(zhuǎn)角口丌俄（）清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃將數(shù)據(jù)保存到數(shù)組。如果有外部測量設(shè)備，小車所在任意位置坐標(biāo)都能被測量，此時除記錄上述數(shù)據(jù)（，）外，我們還可以通過外部測量來記錄小車在拐角處的坐標(biāo)（，），在編程時，用兩個數(shù)組，保存坐標(biāo)值。（）邊界描繪方法：由（，）繪制地圖。此處我們引入一種計算直線方程的數(shù)學(xué)方法。設(shè)已知平面坐標(biāo)系內(nèi)有一條過（，）的直線，其方程為，假設(shè)有這么一條直線，是直線以點(diǎn)逆時

42、針方向旋轉(zhuǎn)。角得來，求的直線方程。圖兩條直線旋轉(zhuǎn)關(guān)系考慮，直線斜率均存在的情況。設(shè)，直線斜率分別為，七亡口禮（日亡（七）羆口日白日（）代入一詈，得：良篆票砉籌的方程為：七（）代入整理得：（一日）（日日）一【（口臼一目）（臼日）】（）（）所以清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃口口臼一臼曰臼【一（臼一臼）（臼日），】（）用矩陣表示：】珊黧魯】，一【口珊黧暑口】。建立坐標(biāo)系，理論上可以選取任意兩點(diǎn)建立坐標(biāo)系，為方便計算，我們選擇初始記錄的兩點(diǎn)，所在直線為軸，到方向?yàn)檎颍x擇為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，如圖所示。圖平面直角坐標(biāo)系（）計算路徑方程及起始點(diǎn)坐標(biāo)取小車在，點(diǎn)記錄的數(shù)值（，），（，），由圖可知，平面直角坐標(biāo)系內(nèi)，坐標(biāo)分別為