簡(jiǎn) 毅， 高 斌， 張 月

(重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引 言

室內(nèi)掃地機(jī)器人是家用服務(wù)機(jī)器人的一種，具有掃地省力、省時(shí)，功能多樣化、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可代替人工減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，已成為智能機(jī)器人研究的熱點(diǎn)[1]。傳感器技術(shù)和全遍歷路徑規(guī)劃技術(shù)是掃地機(jī)器人的核心技術(shù)，通過多傳感器融合來估計(jì)自身位姿和檢測(cè)環(huán)境信息，然后按照某種優(yōu)化指標(biāo)在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)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(jī)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(jī)式和規(guī)劃式，隨機(jī)式即掃地機(jī)器人無法直行時(shí)就隨機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度繼續(xù)直行，該方法雖然簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)多房間的遍歷清潔[6]。基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃在遍歷清潔之前要進(jìn)行地圖的創(chuàng)建，一般采用激光雷達(dá)或激光測(cè)距儀進(jìn)行掃描，成本高且地圖創(chuàng)建困難[7]。

針對(duì)以上問題提出了一種簡(jiǎn)單的室內(nèi)掃地機(jī)器人全遍歷路徑規(guī)劃方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法覆蓋提高了4%～8%，清掃時(shí)間縮短了2～7min。

1 全遍歷路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遍歷清掃流程如圖1所示。

圖1 清掃流程

掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)由三部分組成：傳感檢測(cè)系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和電機(jī)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(cè)系統(tǒng)主要獲取機(jī)器人自身狀態(tài)和周圍環(huán)境信息。超聲波測(cè)距傳感器主要測(cè)量周圍障礙物的邊界信息，在機(jī)器人左、中、右各方向有3個(gè)超聲波傳感器模塊，為了避免各模塊發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的相互干擾，采取輪流觸發(fā)的模式啟動(dòng)各超聲波模塊；紅外傳感器用于避開障礙物，在機(jī)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(hù)作用。在2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上安裝光電編碼器用于檢測(cè)機(jī)器人行走距離，陀螺儀用于機(jī)器人方位角的識(shí)別，掃地機(jī)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(jìn)行全遍歷路徑規(guī)劃，然后發(fā)出相應(yīng)的命令控制電機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)完成掃地機(jī)器人的行走和清掃工作。電機(jī)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(jī)器人在進(jìn)行全遍歷路徑規(guī)劃前，應(yīng)該對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，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?fù)鋱D法[8]。本文采用柵格法進(jìn)行環(huán)境建模，方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，但柵格大小的劃分決定是否能夠準(zhǔn)確表示實(shí)際環(huán)境[9]。針對(duì)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(duì)環(huán)境輪廓的學(xué)習(xí)。本文進(jìn)一步擴(kuò)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(cè)距傳感器檢測(cè)環(huán)境中孤立障礙物的相對(duì)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(jì)環(huán)境模型如圖4所示。沿邊學(xué)習(xí)的詳細(xì)描述為:

1)掃地機(jī)器人從起始點(diǎn)(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(shí)，通過左側(cè)或右側(cè)超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)環(huán)境或障礙物邊界與機(jī)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(jī)器人自身位姿，存入P[i]=[xi,yi,θi]位置數(shù)組；

3)規(guī)定機(jī)器人行走時(shí)遇到障礙物或墻邊拐角進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向繼續(xù)前進(jìn)，并可通過轉(zhuǎn)向累計(jì)次數(shù)判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向是橫向還是縱向；

4)沿邊學(xué)習(xí)結(jié)束標(biāo)志：機(jī)器人轉(zhuǎn)向后行走累計(jì)距離近似等于所測(cè)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(jī)器人從起始點(diǎn)A以逆時(shí)針開始沿邊學(xué)習(xí)如圖5(a)所示，通過左側(cè)傳感器測(cè)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(cè)得機(jī)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(jī)器人轉(zhuǎn)向累計(jì)距離y4與測(cè)得的最小距離h5近似相等時(shí)，第一條邊學(xué)習(xí)結(jié)束到達(dá)B點(diǎn)。以h5作為劃分矩形子區(qū)域的縱向距離，以掃地機(jī)器人吸塵口直徑D作為單元柵格邊的大小，每個(gè)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(dá)柵格，1為不可達(dá)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(duì)子區(qū)域進(jìn)行劃分和創(chuàng)建局部地圖，然后以B點(diǎn)為起點(diǎn)，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(kuò)展距離，進(jìn)行迂回遍歷清掃，最后遍歷完子區(qū)域到達(dá)終點(diǎn)C,如圖6(a)所示，然后以C為起點(diǎn)進(jìn)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(kuò)展清掃，沿邊學(xué)習(xí)直到完成整個(gè)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(gè)孤立障礙物存在漏掃，所以需要對(duì)漏掃區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)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(diǎn)：1)沿邊學(xué)習(xí)的過程中，既對(duì)環(huán)境輪廓進(jìn)行學(xué)習(xí)，又對(duì)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(chǔ)量，又能在對(duì)下一條邊學(xué)習(xí)時(shí)清除傳感器的累積誤差。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

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

圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

對(duì)提出的全遍歷路徑規(guī)劃方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄覆蓋率和清掃時(shí)間。然后分別采用隨機(jī)式和規(guī)劃式清掃方式，幾種清掃方式的覆蓋率和清掃時(shí)間對(duì)比如表1所示。

表1 幾種清掃方式對(duì)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(jiǎn)單易行，同時(shí)沿邊擴(kuò)展清掃可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)房間的遍歷。雖然目前市場(chǎng)出現(xiàn)了通過激光雷達(dá)或者激光測(cè)距儀建立地圖從而進(jìn)行全遍歷，但是價(jià)格昂貴，控制系統(tǒng)要求高。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種成本低、性能可靠的掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)，并在控制平臺(tái)上提出了簡(jiǎn)單易行、可擴(kuò)展和維護(hù)方便的全遍歷路徑規(guī)劃方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證清掃覆蓋率至少可提高4%，清掃時(shí)間至少縮短了2 min,方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值。為戰(zhàn)場(chǎng)偵察、排雷、修剪草坪、噴繪、擦窗機(jī)器人等的路徑規(guī)劃提供了參考。

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