大連市第十三中學 遼寧大連 116000

摘要：近年來，智能清掃機器人系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在的智能清掃機器人通過軟硬件的合理設計，使其能夠自動避開障礙物，實現(xiàn)一般家居環(huán)境及特定戶外環(huán)境的自主清掃工作。本文簡單介紹了清掃機器人基于無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃的具體辦法。

關鍵詞：清掃機器人；無環(huán)境模型；路徑規(guī)劃

一、緒論

機器人的研究在日本和歐美的一些發(fā)達國家的研究相對比較深入，同時也取得了很多顯著的成果。國內(nèi)關于清掃機器人的研究也取得了極大的進展。我國繼清華大學于1994年通過智能清掃機器人鑒定之后，陸續(xù)有中國科學院沈陽自動化所研制了全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)；2001年香港城市大學完整地研究了地面清掃機器人的導航、控制及整個硬件系統(tǒng)；2009年哈爾濱工業(yè)大學與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位地面清掃機器人?？偠灾鍧崣C器人的研究正在快速發(fā)展，并且也越來越深入，但是還有需要完善和改進的地方，例如清潔機器人的避障問題，路徑規(guī)劃等等，所以針對清掃機器人進行一系列的技術研究探討是相當有意義的。

二、基于無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃

清潔機器人的路徑規(guī)劃是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，同時實現(xiàn)封閉區(qū)域內(nèi)機器人行走路徑對工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復率。目前全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃有兩種，一種是無環(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環(huán)境規(guī)劃的整個過程。

無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃不需要建立環(huán)境模型，有隨機遍歷路徑規(guī)劃和全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃兩種模式。機器人在清掃的時候比較自由，一般都是采用遞進的方式，清掃完這個直線再偏移一段距離，掉頭清掃另外一條直線，以達到全區(qū)域清掃，本文也著重介紹無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃?；跓o環(huán)境模型的依據(jù)邊界的路徑規(guī)劃方法

三、基于無環(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，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。

（1）小車轉(zhuǎn)角計算

若小車沿某一物體邊緣轉(zhuǎn)過θ角，則可以通過如下公式求算θ角

規(guī)定為行走時小車的拐角，規(guī)定連續(xù)經(jīng)過多個拐角時，為各自拐角的和。

（2）小車行程的計算

小車行程的計算可以按照兩驅(qū)動輪軌跡線的中心線即可代表小車行駛時的軌跡，小車行車記錄為：

（3）機器人沿著邊界行駛

機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直到遇到拐角。行進過程中根據(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，小車開始記錄行進狀態(tài)，首次記錄時，只記錄轉(zhuǎn)角值，行進數(shù)值記錄為0，記錄的信息為小車在拐角處的轉(zhuǎn)過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，并計算累積轉(zhuǎn)角。如此記錄便得到一個序列

當小車符合回到記錄起點的判定條件時，則記錄結(jié)束。當小車行走到第Pn+1點時，若累積轉(zhuǎn)角

Θ等于2π，并且Pn+1與P1距離足夠小時，我們認為Pn+1與記錄初始點重合。這時所記錄的有效數(shù)據(jù)點有n個。當小車回到記錄起始點處，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算直線方程的數(shù)學方法，設已知平面坐標系內(nèi)有一條過的直線，其方程為，假設有這么一條直線，是直線以P點逆時針方向旋轉(zhuǎn)θ角得來的，求的直線方程。

考慮斜率均存在的情況。設的斜率分別為。

代入，得，

所以的方程為

代入整理的

所以

用矩陣表示：

建立坐標系，我們選擇初始記錄的兩點。

（5）計算路徑S1方程及起始坐標

取小車在在記錄點的數(shù)值，平面直角坐標系內(nèi)的坐標分別為.所確定的直線方程為：

計算S2時，我們可以理解為S2所在的直線是由直線在在逆時針旋轉(zhuǎn)角得出的，可以用開頭引入的矩陣算法來處理。

根據(jù)先前的記錄的數(shù)組，取，代入矩陣公式