一種室內(nèi)掃地機器人全遍歷路徑規(guī)劃方法研究

簡 毅， 高 斌， 張 月

(重慶大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引 言

室內(nèi)掃地機器人是家用服務(wù)機器人的一種，具有掃地省力、省時，功能多樣化、操作簡單等優(yōu)點，可代替人工減輕勞動負擔(dān)，已成為智能機器人研究的熱點[1]。傳感器技術(shù)和全遍歷路徑規(guī)劃技術(shù)是掃地機器人的核心技術(shù)，通過多傳感器融合來估計自身位姿和檢測環(huán)境信息，然后按照某種優(yōu)化指標(biāo)在起始點和目標(biāo)點之間規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞并可全區(qū)域遍歷的路徑[2～4]。

目前,室內(nèi)掃地機器人采用的全區(qū)域遍歷路徑規(guī)劃分為兩類：無環(huán)境模型的規(guī)劃和基于環(huán)境模型的規(guī)劃方法[5]。無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃可分為隨機式和規(guī)劃式，隨機式即掃地機器人無法直行時就隨機旋轉(zhuǎn)一定的角度繼續(xù)直行，該方法雖然簡單，但效率比較低。規(guī)劃式包括弓形式和內(nèi)外螺旋式路徑規(guī)劃，容易造成漏掃且重復(fù)率高，也不易實現(xiàn)多房間的遍歷清潔[6]?；诃h(huán)境模型的路徑規(guī)劃在遍歷清潔之前要進行地圖的創(chuàng)建，一般采用激光雷達或激光測距儀進行掃描，成本高且地圖創(chuàng)建困難[7]。

針對以上問題提出了一種簡單的室內(nèi)掃地機器人全遍歷路徑規(guī)劃方法，經(jīng)實驗驗證了方法覆蓋提高了4%～8%，清掃時間縮短了2～7min。

1 全遍歷路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)設(shè)計

遍歷清掃流程如圖1所示。

圖1 清掃流程

掃地機器人控制系統(tǒng)由三部分組成：傳感檢測系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和電機執(zhí)行系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感檢測系統(tǒng)主要獲取機器人自身狀態(tài)和周圍環(huán)境信息。超聲波測距傳感器主要測量周圍障礙物的邊界信息，在機器人左、中、右各方向有3個超聲波傳感器模塊，為了避免各模塊發(fā)射信號和回波信號之間的相互干擾，采取輪流觸發(fā)的模式啟動各超聲波模塊；紅外傳感器用于避開障礙物，在機器人前方180°范圍內(nèi)均勻布置了4只紅外傳感器；碰撞開關(guān)在超聲波傳感器和紅外傳感器故障情況下起保護作用。在2個驅(qū)動輪上安裝光電編碼器用于檢測機器人行走距離，陀螺儀用于機器人方位角的識別，掃地機器人傳感器分布如圖3所示。主控系統(tǒng)采用低成本、能耗低的STM32F103系列芯片，用來采集傳感器傳至的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后創(chuàng)建環(huán)境地圖和進行全遍歷路徑規(guī)劃，然后發(fā)出相應(yīng)的命令控制電機執(zhí)行系統(tǒng)完成掃地機器人的行走和清掃工作。電機執(zhí)行系統(tǒng)主要完成行走、清掃和吸塵功能。

圖3 傳感器分布

2 全遍歷路徑規(guī)劃

2.1 環(huán)境建模方法

掃地機器人在進行全遍歷路徑規(guī)劃前，應(yīng)該對周圍環(huán)境進行檢測，構(gòu)造出環(huán)境模型。常用的環(huán)境建模方法主要有柵格法、幾何法和拓撲圖法[8]。本文采用柵格法進行環(huán)境建模，方法簡單、易于實現(xiàn)和維護，但柵格大小的劃分決定是否能夠準(zhǔn)確表示實際環(huán)境[9]。針對此問題提出了沿邊學(xué)習(xí)建立局部柵格地圖。

2.1.1沿邊學(xué)習(xí)

目前，沿邊學(xué)習(xí)過程主要對環(huán)境輪廓的學(xué)習(xí)。本文進一步擴展，不僅通過內(nèi)部傳感器獲取環(huán)境輪廓，而且通過外部測距傳感器檢測環(huán)境中孤立障礙物的相對位置信息，作為劃分子區(qū)域和建立局部地圖的依據(jù)。參考常見室內(nèi)布局設(shè)計環(huán)境模型如圖4所示。沿邊學(xué)習(xí)的詳細描述為:

1)掃地機器人從起始點(一般規(guī)定為充電座)開始，通過自身傳感器保證沿墻邊或緊靠墻邊障礙物行走；

2)沿邊行走時，通過左側(cè)或右側(cè)超聲波測距傳感器檢測環(huán)境或障礙物邊界與機器人的距離數(shù)據(jù)，存入h[n]距離數(shù)組；利用光電編碼器和陀螺儀獲取機器人自身位姿，存入P[i]=[xi,yi,θi]位置數(shù)組；

3)規(guī)定機器人行走時遇到障礙物或墻邊拐角進行90°轉(zhuǎn)向繼續(xù)前進，并可通過轉(zhuǎn)向累計次數(shù)判斷機器人運動方向是橫向還是縱向；

4)沿邊學(xué)習(xí)結(jié)束標(biāo)志：機器人轉(zhuǎn)向后行走累計距離近似等于所測環(huán)境邊界與孤立障礙物的最大或最小距離；

5)完成一條邊的學(xué)習(xí)后，根據(jù)環(huán)境邊界與孤立障礙物邊界距離最大或最小原則，劃分矩形子區(qū)域，建立子區(qū)域柵格地圖。

圖4 環(huán)境模型

2.1.2子區(qū)域劃分與地圖創(chuàng)建

以第一條邊學(xué)習(xí)為例，機器人從起始點A以逆時針開始沿邊學(xué)習(xí)如圖5(a)所示，通過左側(cè)傳感器測得邊界距離數(shù)據(jù)依次為h1→h2→h3→h4→h5→h6，存入數(shù)組h[n]中，依靠光電編碼器傳感器測得機器人沿障礙物或墻壁的轉(zhuǎn)向距離依次為y1→y2→y3→y4，為保證覆蓋率和降低重復(fù)率，選取最小距離原則，即機器人轉(zhuǎn)向累計距離y4與測得的最小距離h5近似相等時，第一條邊學(xué)習(xí)結(jié)束到達B點。以h5作為劃分矩形子區(qū)域的縱向距離，以掃地機器人吸塵口直徑D作為單元柵格邊的大小，每個柵格狀態(tài)由(i,j,k)描述， (i,j)表示柵格在地圖中所處的位置,k為柵格的屬性，0為可達柵格，1為不可達柵格，建立子區(qū)域局部地圖如圖5(b)所示。

圖5 子區(qū)域劃分與局部地圖

2.2 全遍歷覆蓋清掃

通過沿邊學(xué)習(xí)對子區(qū)域進行劃分和創(chuàng)建局部地圖，然后以B點為起點，以吸塵口直徑D作為側(cè)移距離，以h5作為最大沿邊向中擴展距離，進行迂回遍歷清掃，最后遍歷完子區(qū)域到達終點C,如圖6(a)所示，然后以C為起點進行第二條邊的學(xué)習(xí)，依此沿邊學(xué)習(xí)，子區(qū)域劃分與局部地圖創(chuàng)建，沿邊擴展清掃，沿邊學(xué)習(xí)直到完成整個環(huán)境的清掃，全遍歷清掃結(jié)果如圖6(b)所示，由于環(huán)境中兩個孤立障礙物存在漏掃，所以需要對漏掃區(qū)域進行補掃如圖6(c)所示。

圖6 全遍歷路徑規(guī)劃

與已有的沿邊學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃相比，本文方法具有如下優(yōu)點：1)沿邊學(xué)習(xí)的過程中，既對環(huán)境輪廓進行學(xué)習(xí)，又對環(huán)境中的孤立障礙物邊界信息學(xué)習(xí)；2) 每次沿邊學(xué)習(xí)只學(xué)習(xí)其中的一條邊，既能夠減小數(shù)據(jù)的存儲量，又能在對下一條邊學(xué)習(xí)時清除傳感器的累積誤差。

3 實驗與結(jié)果分析

實驗環(huán)境為1.2m×2.4m的封閉空間，以實驗室自主研制的XF—400智能掃地機器人為實驗平臺，超聲波測距傳感器的范圍為0.015～4m，機器人的行走速度設(shè)定為0.5m/s，安裝有紅外對管和碰撞開關(guān)用于避障，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

圖7 實驗?zāi)Ｐ?/p>

對提出的全遍歷路徑規(guī)劃方法進行實驗，記錄覆蓋率和清掃時間。然后分別采用隨機式和規(guī)劃式清掃方式，幾種清掃方式的覆蓋率和清掃時間對比如表1所示。

表1 幾種清掃方式對比

通過分析，本文提出的方法較常用的路徑規(guī)劃方法的覆蓋率和效率均有了較大的提高，而且成本低、方法簡單易行，同時沿邊擴展清掃可以實現(xiàn)多個房間的遍歷。雖然目前市場出現(xiàn)了通過激光雷達或者激光測距儀建立地圖從而進行全遍歷，但是價格昂貴，控制系統(tǒng)要求高。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種成本低、性能可靠的掃地機器人路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)，并在控制平臺上提出了簡單易行、可擴展和維護方便的全遍歷路徑規(guī)劃方法。實驗驗證清掃覆蓋率至少可提高4%，清掃時間至少縮短了2 min,方法具有一定的應(yīng)用價值。為戰(zhàn)場偵察、排雷、修剪草坪、噴繪、擦窗機器人等的路徑規(guī)劃提供了參考。

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