王智龍，沈景鳳

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于全區(qū)域覆蓋的清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃

王智龍，沈景鳳

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

以清潔機(jī)器人的規(guī)劃為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模分析，提出了現(xiàn)行采用的路徑記憶的規(guī)劃方案和基于動(dòng)態(tài)地圖建立的路徑規(guī)劃方案，通過(guò)多方案的實(shí)驗(yàn)與研究，盡可能實(shí)現(xiàn)讓清潔機(jī)器人的運(yùn)行軌跡布滿整片區(qū)域，同時(shí)能夠避開(kāi)障礙，減少運(yùn)動(dòng)軌跡的重復(fù)率，從而實(shí)現(xiàn)較為高效簡(jiǎn)潔的路徑規(guī)劃。

路徑規(guī)劃；直角坐標(biāo)系；極坐標(biāo)系；路徑記憶;路徑規(guī)劃方案

隨著服務(wù)機(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的生活，地面清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的典型代表，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是對(duì)于機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題卻始終沒(méi)有找到合理的解決方式，國(guó)產(chǎn)地面清潔機(jī)器人產(chǎn)品路徑規(guī)劃目前基本都是應(yīng)用隨機(jī)碰撞式這一種尋路方式。因此本論文旨在探尋簡(jiǎn)單、成本低廉而又能歷遍復(fù)雜房間的算法，盡可能減少路徑規(guī)劃的重復(fù)率。

1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本文研究地面清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件主要包括主控芯片最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊。傳感器主要涉及的有超聲波、紅外傳感器、光電編碼器、觸碰開(kāi)關(guān)及數(shù)字羅盤(pán)。地面清潔機(jī)器人采用差速轉(zhuǎn)向方式，通過(guò)控制左右輪的速度比來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的轉(zhuǎn)向。

1.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的建立

簡(jiǎn)化地面清潔機(jī)器人采用差速轉(zhuǎn)向方式，通過(guò)控制左右輪的速度比來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)體的轉(zhuǎn)向。

圖1 運(yùn)動(dòng)模型

簡(jiǎn)化模型建模如圖1所示，假設(shè)o點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)；θl為左驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角；θr為右驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)角；瞬時(shí)曲率中心ο′的坐標(biāo)為(x-Rsinφ,y+Rcosφ)；左輪瞬時(shí)曲率半徑為R-b/2；右輪瞬時(shí)曲率半徑為R+b/2；υl為左輪線速度；υr為右輪線速度。以左右輪線速度分別計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω，得

(1)

(2)

由式(1)和式(2)得中心o點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度υ為

(3)

方向角速度可表示為

(4)

在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)中，中心o的運(yùn)動(dòng)速度為

(5)

(6)

可得系統(tǒng)的約束方程

(7)

(8)

曲率半徑

(9)

對(duì)曲率半徑進(jìn)行討論：當(dāng)ωr=ωl時(shí)，R=∞，做直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)ωr≠ωl時(shí)，繞某瞬時(shí)圓心做圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)ωr=-ωl時(shí)，R=0，繞質(zhì)心o做圓周運(yùn)動(dòng)。

1.2 清潔機(jī)器人坐標(biāo)系的建立

機(jī)器人在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，需完成對(duì)自我位置的定位以及邊界位置的掃描工作，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必須建立起兩個(gè)坐標(biāo)系：全局坐標(biāo)系和車(chē)載移動(dòng)坐標(biāo)系。全局坐標(biāo)系的建立是為了確定機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)所處的位置，可以用來(lái)對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行定位。建立車(chē)載坐標(biāo)系是為了描述當(dāng)前探測(cè)到的局部信息，這主要用于控制清潔機(jī)器人在當(dāng)前姿態(tài)行走方式。

在全局坐標(biāo)系中，假設(shè)機(jī)器人小車(chē)的原點(diǎn)坐標(biāo)O為(a，b，φ0)，P點(diǎn)坐標(biāo)為(x-a，b-y，φ0)。其中a、b、x、y為車(chē)載坐標(biāo)系超聲波測(cè)距傳感器所測(cè)數(shù)值，忽略普通超聲波傳感器測(cè)距范圍的影響，φ0為數(shù)字羅盤(pán)所測(cè)角度。當(dāng)機(jī)器人小車(chē)仍在該點(diǎn)P，所測(cè)角度為φ1時(shí)，則

x=x′cos(φ1-φ0)

(10)

y=y′cos(φ1-φ0)

(11)

位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 機(jī)器人小車(chē)在全局坐標(biāo)系初始位置及旋轉(zhuǎn)后的位置關(guān)系

所以通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器所測(cè)數(shù)值x、y，數(shù)字羅盤(pán)所測(cè)當(dāng)前角度φ，即可對(duì)機(jī)器人小車(chē)在平面區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定位。

2 路徑規(guī)劃方法

全區(qū)域覆蓋是清潔機(jī)器人需要完成的一項(xiàng)重要功能。實(shí)驗(yàn)采用規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋方案，盡可能實(shí)現(xiàn)讓清潔機(jī)器人的運(yùn)行軌跡充滿整片區(qū)域，同時(shí)能夠避開(kāi)障礙；盡可能減少運(yùn)動(dòng)軌跡的重復(fù)率。為了實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋功能，實(shí)驗(yàn)采取迂回式路徑規(guī)劃方案。全區(qū)域覆蓋路徑的迂回式規(guī)劃思想就是清潔機(jī)器人沿規(guī)劃出的路徑以直線的方式行走，遇到邊界后旋轉(zhuǎn) 180°，沿反方向直線行走。如此反復(fù)迂回，直到覆蓋整個(gè)基本區(qū)域。

機(jī)器人在行走過(guò)程中會(huì)碰到各種類型的障礙物，對(duì)這些障礙物的避讓影響著機(jī)器人在行走過(guò)程中的運(yùn)行方式，本文對(duì)機(jī)器人行走過(guò)程中的主要障礙物做了簡(jiǎn)要分析。

2.1 主要障礙物分析

實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)夏普GP2D12和兩個(gè)觸碰開(kāi)關(guān)進(jìn)行障礙物判斷，其中1、2、3為GP2D12，4、5為觸碰開(kāi)關(guān)。以下分別為墻、墻角、小障礙、機(jī)器人小車(chē)右邊有障礙物的示意圖。

以右轉(zhuǎn)180°為例，如圖7所示，首先機(jī)器人小車(chē)向左前方直線前進(jìn)，同時(shí)GP2D12不斷檢測(cè)障礙物，當(dāng)檢測(cè)到離墻轉(zhuǎn)彎的距離時(shí)，小車(chē)停止，將數(shù)字羅盤(pán)當(dāng)前角度設(shè)為零度，然后右輪停，左輪驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行右轉(zhuǎn)。在數(shù)字羅盤(pán)檢測(cè)到210°以后，對(duì)小車(chē)在小范圍內(nèi)尋找180°用PID算法處理，直到精確找到180°后，小車(chē)再直線前進(jìn)，即完成整個(gè)右轉(zhuǎn)180°的過(guò)程。

圖5 判斷小障礙物

圖6 車(chē)體右前方障礙物判斷

圖7 右轉(zhuǎn)180°示意圖

2.2 基于路徑記憶的路徑規(guī)劃

迂回式路徑在空曠的平面區(qū)域內(nèi)，全覆蓋率很高，但隨著障礙物的加入和其數(shù)量的增多，要實(shí)現(xiàn)全覆蓋很困難。如圖8為比較常見(jiàn)的繞障礙物的理論方式。實(shí)際小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)在A點(diǎn)的接合。因此，在處理過(guò)程中采取：小于等于機(jī)器人小車(chē)車(chē)身的障礙物繞行；大于機(jī)器人小車(chē)車(chē)身的采用迂回策略。

圖8 常見(jiàn)繞障礙物的理論規(guī)劃方式

2.2.1 繞小障礙物原理

當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人小車(chē)夏普紅外傳感器判斷到小物體時(shí)，小車(chē)停止，將數(shù)字羅盤(pán)當(dāng)前角度設(shè)為0°，再右轉(zhuǎn)并以1號(hào)、2號(hào)夏普紅外傳感器檢測(cè)的A/D值對(duì)設(shè)定距離比較進(jìn)行循跡，即繞障礙物逆時(shí)針前進(jìn)，同時(shí)不斷檢測(cè)數(shù)字羅盤(pán)角度，直到檢測(cè)到90°即正好與行駛路徑相切時(shí)停止，再用PID算法精確微調(diào)90°，結(jié)束后然后原地右轉(zhuǎn)90°，同理進(jìn)行微調(diào)，結(jié)束后直線前進(jìn)。

圖9 繞障礙物過(guò)程示意圖

2.2.2 繞小障礙物的過(guò)程

經(jīng)實(shí)際調(diào)試，機(jī)器人小車(chē)可以完成繞障功能，但實(shí)際小車(chē)的慣性存在，往往不能在與行駛路徑相切時(shí)及時(shí)停止，會(huì)有一段緩沖，即繞過(guò)頭，其影響會(huì)使小車(chē)偏離繞障前的行駛路線。現(xiàn)在隨著迂回方式前進(jìn)和繞小障礙功能的加入，可以較好地解決一部分問(wèn)題。但在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到覆蓋區(qū)域丟失的情況，如圖10所示。

圖10 可能路徑

為解決這種情況，引入示教方式對(duì)機(jī)器人小車(chē)進(jìn)行控制。即用無(wú)線遙控方式對(duì)機(jī)器人小車(chē)丟失覆蓋區(qū)域進(jìn)行輔助引導(dǎo)，同時(shí)引入E2PROM存儲(chǔ)芯片AT24C08，對(duì)機(jī)器人小車(chē)的運(yùn)行路徑采用一定方式進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)記憶。同時(shí)在機(jī)器人小車(chē)下一次運(yùn)行時(shí)，直接運(yùn)行讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)的記憶路徑的恢復(fù)，這樣便得到了現(xiàn)有的路徑規(guī)劃方案。經(jīng)實(shí)際調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了該方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)地面清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了研究與分析，機(jī)器人小車(chē)在測(cè)距超聲波和數(shù)字羅盤(pán)采集角度的作用下可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境邊界范圍的掃描和在環(huán)境中任意點(diǎn)的定位，利用該平臺(tái)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行虛擬路徑規(guī)劃，與現(xiàn)有的地面清潔機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，也是一種值得期待的路徑規(guī)劃解決方案。

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Based on The Regional Coverage of Cleaning Robot Path Planning

WANG Zhilong，SHEN Jingfeng

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on the planning of cleaning robot as the research object, through analyzing the motion process of cleaning robot modeling, which is put forward using the path to the memory of the present planning scheme and path planning based on dynamic map, by experiment and research more, achieving as close as possible to make the operation of the cleaning robot trajectory is full of the whole area, at the same time to avoid obstacles, minimize the trajectory of the repetition rate, so as to realize the path planning of a more efficient and concise.

path planning;rectangular coordinate system;polar coordinate system;path to the memory;path planning

2016- 11- 25

王智龍(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：機(jī)械工程。沈景鳳(1969-)，女，副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.019

TN248.4

A

1007-7820(2017)09-068-04