（机械电子工程专业论文）家用清洁机器人路径探测和路径规划的研究.pdf

武汉理工大学硕士论文 摘要 移动机器人目前是机器人研究领域的热点之一，具有广阔的应用前景。随 着人们住房面积的迅猛扩大，工作生活节奏的加快，几乎是每天一次的拖地使 人们不堪重负。迫切需要有一种设备协助甚置替代人来完成地面清洁工作。因 此，研制一台家用清洁机器人，帮助人们从繁重的家庭清洁劳动中解脱出来， 对提高人们生活质量，有着十分重要的意义。 本文概述了国内外移动机器人领域研究的成果，针对家用清洁机器人的路 径探测和路径规划等热点问题进行了分析。本文选用了超声波传感器作为家用 清洁机器人的探测元件，探讨了其指向特性、发射和接收特性，结合实际应用， 探讨了该传感器的应用中的优缺点，并采用了一种滤波算法在一定程度上弥补 了其自身在应用中的不足。 在路径规划方面，本文采用了全局路径规划和局部路径规划想结合的思想， 在全局范围内采用内螺旋方式行走，将室内沿墙摆设障碍物当墙壁处理，机器 人由四周向室中心清扫。室内孤立障碍物，根据室内家具特点，将其按形状划 分为三大类别：矩形类、直角多边形类以及圆形类，并对三类形状的障碍物做 了相应的绕行策略。机器人全局内螺旋行走与局部区域绕障行走相结合，最终 完成区域遍历。 本文通过移动机器人在室内环境下的导航仿真实验，证实了研究的有效性， 基本建立了家用清洁机器人室内区域遍历的路径规划方式，为后续的家用清洁 机器人在控制方面的硬件和软件研究提供了一定的理论基础，为实际开发、生 产提供了一个参考方向。 关键词：路径探测，路径规划，区域遍历 武汉理工大学硕士论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t t h er e s e a r c ho ft h em o v i n gr o b o ti sah o ts p o t sa n dh a st h eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t a l o n gw i t ht h ee x p a n s i o no fp e o p l e sh o u s ，q u i e k i yw o r k r h y t h mo fl i f e s n e a r l yd a i l yo n et i m et o w sc a u s e st h ep e o p l et ob eu n a b l et o w i t h s t a n dt h e1 0 a d u r g e n tn e e d st oh a v eo n ek i n do fe q u i p m e n ta s s i s t a n c et os e t r e a l l ys u b s t i t u t e st h ep e r s o nf i n i s hg r a d ec l e a r i n g t h e r e f o r e , d e v e l o p i n gah o m eu s e c l e a n i n gr o b o t ，h e l p st h ep e o p l et oe x t r i c a t ef r o mt h ea r d u o u sf a m i l yc l e a n i n gw o r k , t oi m p r o v e st h ep e o p l eq u a l i t yo fl i f e ，h a st h ev e r yv i t a ls i g n i f i c a n c e t l l i sa r t i c l eh a so u t l i n e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nt h er e s e a r c ho fm o t i o nr o b o t a r e aa c h i e v e m e n t i nt h ev i e wo fh o m eu s ec l e a nh o tt o p i c sa n ds oo ns u r v e y i n g r o b o t sw a ya n dp l a n i n gw a yh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i s t 1 1 i sa r t i c l es e l e c t e dt h e u l t r a s o n i cs e n s o rt ot a k et h eh o m e 嘁c l e a n i n gr o b o t sd e t e c t i n ge l e m e n t , h a s d i s c u s s e di t sd i r e c t i v i t yc h a r a c t e r i s t i e s ，t h el a u n c h i n ga n dt h er e e e i v e i n gc h a r a c t e r i s t i c ， t h eu n i o np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , h a sd i s c u s s e di nt h i ss e n s o r sa p p l i c a t i o ng o o da n db a d p o i n t s ，a n du s e do n ek i n do ff i l t e r i n ga l g o r i t h mt om a k eu pi t so n e s e l ft oac e r t a i n e x t e n ti nt h ea p p l i c a t i o ni n s u 伍c i e n c y i np l a n i n gt h ew a ya s p e c t , t h i sa r t i c l eu s e st h et h o u g h tw h i c ht h eo v e r a l l s i t u a t i o nw a y p l a na n d t h ep a r t i a lw a yp l a nt ou n i f y , s e l e c t st h ei n s i d es p i nm e t h o di n t h eo v e r a l ls i t u a t i o ns c o p et ow a l k i n d o o ra l o n gt h ew a l lo r n a m e n t so b s t a c l ew o r k sa s w a l l t h er o b o tb ya l la r o u n ds w e e p sc l e a rt ot h el o o mc e n t e r t h ei n d o o ri s o l a t i o n o b s t a c l e ，a c c o r d i n gt ot h ei n d o o rc h a r a c t e r i s t i cf u r n i t u r e ，t h es h a p ed i v i s i o ni st h r e e b i gc a t e g o r i e s ：t h er e c t a n g l ec l a s s ，t h er i g h ta n g l ep o l y g o nc l a s sa sw e l la st h e c i r c u l a rc l a s s ，a n dp l a n sc o r r e s p o n d i n g l yt ot h r e ek i n do fs h a p e so b s t a c l e sd e t o u r e d t h es t r a t e g y n 忙r o b o to v e r a l ls i t u a t i o ni n s i d es p i nw a l k sw i t ht h el o c a lr e g i o nc i r c l e s b o n d sw a l k su n i f i e s 。c o m p l e t e st h er e g i o nt r a v e r s a lf i n a l l y t l l i sa r t i c l et h r o u g hm o v e sr o b o t su n d e ri n d o o re n v i r o n m e n tg n i d a n c s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，c o n f i r m e dt h er e s e a r c hv a l i d i t y , h a se s t a b l i s h e dt h eh o m eu s e c l e a nr o b o ti n d o o rr e g i o nt r a v e r s a lw a yp l a nw a yb a s i c a l l y , h a sp r o v i d e dc e r t a i n r a t i o n a l ef o r t h ef o l l o w i n gh o m eu s ec l e a nr o b o ti nt h ec o n t r o la s p e c t sh a r d w a r ea n d t h es o f t w a r es t u d y , f o rt h ea c t u a l d e v e l o p m e n t ，t h ep r o d u c t i o nh a sp r o v i d e da r e f e r e n c ed i r e c t i o n k e yw o r d s ：s u r v e y i n gw a y , p l a n i n gw a y , t r a v e r s a lr e g i o n 武汉理工大学硕士论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理工大学硕士论文 家用清洁机器人路径探测和路径规划策略的研究 1 1 引言 第1 章序论 自从本世纪六十年代工业机器人诞生以来，伴随着计算机和自动化技术的 迅速发展和应用领域的不断扩展，对机器人的智能性的要求也越来越高。目前 具有一定的智能性的自主式移动机器人是研究热点之一，智能移动机器人系统 的研究在发达国家受到广泛的关注，许多高科技应用领域，以及实际生产实践 中的特殊应用环境的强烈需求更是它不断发展的强劲动力。 家用电器产品自3 0 - 4 0 年代在欧美，5 0 - 6 0 年代在日本，7 0 - 8 0 年代在中国 发展普及起来至今，已成为十几个大类、数百个品种的庞大家族，大部分家务 活动均可由机器来替代或协助，而在地面清洁方面，发展要相对滞后，除了一 个笨重，产生噪音的吸尘器之外，几乎没有其它电器可派上用场。因此，擦地 成了家务劳动中最繁重的体力活，尤其是习惯于“扫把+ 拖把 式湿法擦地的中 国家庭。而且，随着人们住房面积的迅猛扩大，工作生活节奏的加快，几乎是 每天一次的拖地使人们不堪重负。所以，迫切需要有一种设备协助甚置替代人 来完成地面清洁工作。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 研究发展概况 吸尘机器人系统通常由感知系统、移动机构、控制系统和吸尘系统四个部 分组成。外部感知系统一般采用测距传感器、视觉传感器、接近觉和触觉传感 器等，内部感知系统一般采用倾角传感器、码盘、电位器、罗盘等。移动机构 是吸尘机器人的主体，决定了吸尘器的运动空间，一般采用轮式机构【i 。 普通的轮式移动机构一般有三个轮、四个轮或六个轮，它们或使用驱动轮 和自由轮，或使用驱动轮和转向机构。三轮移动机构结构最简单，控制最方便， 三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的，而且对采用三轮移动机构的机 器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移 动机构应用很广泛。三轮移动机构代表性控制方法是一个前轮，两个后轮，前 武汉理工大学硕士论文 轮操舵，采用前轮驱动或后轮驱动均可，也可采用后两轮独立驱动，靠两轮的 转速差进行操舵的驱动方式，前轮起支持作用。这种方式可通过两个驱动轮向 不同的方向回转使整体实现灵活的小范围回转。但在沿比较长的直线移动时， 两驱动轮的直径差会影响到操舵，因此采用单前轮操舵方式更为合适。随着近 年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展， 吸尘机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。吸 尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的，因此必须兼顾安全可靠 性、抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境，分析信号，以及通过适当的建 模方法来理解环境，具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究表明， 目前发展较快并且对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感技术、智能控 制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等【1 2 1 。 。 1 传感技术 清洁机器人在工作时需要实时地检测自身状态信息和收集外界环境息，以 控制自身状态、建立环境地图、自主导航和定位，进行路径规划，感知作业对 象的状态，检查清洁效果等。通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。 其中内部传感器有：编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器用于 确定当前机器人的位置，线加速度计获取线加速度信息，进而得到线加速度和 位置信息；陀螺仪用以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运动方向的改 变等绝对航向信息。外部传感器有：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、 接触和接近传感器。视觉传感器采用c c d 摄像机进行机器人的视觉导航与定位、 目标识别和地图构造等；超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信 息和地图构造等。红外线传感器一般采用红外接近开关探测机器人工作环境中 的障碍物以避免碰撞。使用时，往往需要多传感器同时工作并进行数据融合才 能获得精确的信息以确定机器人的工作状态。传感器技术的发展水平极大地影 响着机器人的智能化水平，传感器的价格在清洁机器人的成本中占有很大的比 例，国外的传感器研究发展水平较高，有大量的性能优良的陀螺仪、测距仪等 传感器可供选择使用，因而清洁机器人的研究发展水平领先于国内。由于性能、 价格等方面的原因，事实上，传感器己成为制约机器人技术发展的瓶颈。 2 路径规划技术 清洁机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某 种优化指标，在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，并实现 2 武汉理工大学硕士论文 所需清扫区域完全路径覆盖。按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、 动态己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可以分为 基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。根据机器人对环境信息知道的 程度不同，可以分为两种类型：全局路径规划和局部路径规划。常用的环境建模 的主要方法有：可视图法、自由空间法、栅格法、势场法等。与其它移动机器人 相比较，清洁机器人作业环境和作业任务相对简单，机器人要实现自主路径规 划、控制和作业并不困难。 3 吸尘技术 目前采用的吸尘器有两类：真空吸尘器和气流滤尘器。真空吸尘器是由高 速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将尘埃和脏物通过吸口 吸入机体内的滤尘袋内。气流滤尘器一个全封闭系统，既无外部气体吸入，也 无机内气体排除，其原理是利用附壁效应形成低压涡流气体，最后将沉渣截留 于吸尘器内的涡流腔内。 4 电源技术 目前清洁机器人基本上都采用电池作为能源，电池有一次电池、二次电池 和燃料电池。作为机器人能源的一次电池要求能量密度高、自放电少、可靠性 高，一次电池有锰干电池、碱性锰电池、铿电池等。二次电池又叫蓄电池，有 铅酸电池、银锌电池、镍镐电池和镍锌电池等。铅酸电池是一种比较好的机器 人能源，电压高、寿命长、价格低、结构简单可靠、工艺成熟，但能量密度低。 燃料电池体积小、重量轻、寿命长、效率高、无污染，是一种非常好的清洁机 器人用电源，但总的来说，目前还处于研究开发阶段。 1 2 2 国外清洁机器人研究发展现状 国外在经历了白色家电，信息家电的发展之后，机电一体化的智能家电已 初露端倪，家庭机器人的概念已数度提及，单一功能的“低智能打机器人将首 先得到发展，而地面清洁由于其工作相对程式化，实现的技术难度低，国外厂 商竞相开发。目前，i r o b o t 、e l e c t r o l u x 两家公司成功推出了吸尘机器人商品， 另有松下、三星等诸多厂商已公开展示其样机【1 3 1 。 3 武汉理r 大学硕十论文 囝 t t t h 0 ，哪日t m t o o 、j r “- - 哪 fy 4 t n t 图卜1 国外已开发的智能吸尘机器人 2 0 0 2 年3 月2 5 日日本松下电器公司展示了一种可自动为房屋进行真空吸尘 的机器人如图卜1 所示，它的前后部带有酷似眼睛的小灯能发出5 0 种传感信 号。这些传感信号可让机器人在撞上墙壁或滑落楼之前自动转身。吸尘机器人 每次充电可运转5 5 分钟。其缺点是机器人在宽度超l _ 2 英寸的障碍物前6 英 寸处停步，它无法清洁墙壁边缘处的灰尘。 英国戴森( d y s o n ) 公司2 0 0l 初推出一种型号为d c 0 6 的智能吸尘器。据说它 装备的感应器比登陆火星的机器人还多，这是世界首次开发研制的全自动“吸 尘机器人”，d c 0 6 形状呈5 0 厘米长的模型汽车状，重9 2 公斤左右，配置了 7 0 多个传感器，可随时将发现的情况告诉由3 台内霞电脑组成的“大脑”。“大 脑”每秒可发出1 6 条命令来指挥吸尘器的工作。d c 0 6 工作时先从墙边开始。然 后就自动沿着房间四周做螺旋形运动。直到把整个房间打扫干净a 它可以自动 绕开障碍物，甚至在楼梯边缘也能自动停下来。传感器算出自己所在位置、房 间大小及脏乱程度、家具的配置等。要是小孩或狗等外来物体出现，它自动停 止工作。接近楼梯口时吸尘器会自动采取保护措施，以防止滚到楼下。使用 时，只要打开电源、选好速度，按“下”键即可吸尘器就会自动工作一 著名的家电厂商伊莱克斯在英国推出了他们的机器人吸尘器( t r i l o b i t ) 三 叶虫。这款“三叶虫”吸尘器使用超声波探测障碍物，并且可以自行设计出在 房间中行走的最佳路线。它通过超声波躲避桌椅腿和宠物等障碍，超声波系统 同时帮助它测量房间的尺寸，而最佳行进路线就是根据这些测量数据通过机器 内部的计算机算出的。使用者必须在房间门r l 和楼梯尽头贴上磁条作为无形的 墙壁阻止机器人的前进。“三叶虫”是由可充电电池驱动的，每次充电后可以运 武汉理t 大学硕士论文 行6 0 分钟。“三叶虫分三个挡位运作：正常、快速和点清理，吸尘器充满垃圾 时还会发出灯光警告。“三叶虫 的高度只有1 3 厘米，可以钻到桌子和床底下 清理。由于“三叶虫 完全自动，使用者可以把它留在家里清理房间，自己出 去轻松消遣。 三星公司推出的v c r p 3 0 w 能够根据周围环境自动描绘3 d 地图，能够快速、 高效的对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角等情况，v c - r p 3 0 w 会 自动转向继续工作。此外用户可以对其进行工作时间和任务定义，用户离开后 该设备也可以自动完成之前定义的任务。还可以与电脑进行连接，在连接 i n t e r n e t 情况下，用户可以通过v c - r p 3 0 w 内置的摄像头远程查看当前的工作情 况以及周围环境。内置电池可以保持工作5 0 分钟，当电池将要耗尽时，吸尘器 会自动连接充电器进行充电。 澳大利亚的f l o o rb o t i c s 公司研制的v 4 是可自动行驶并打扫房间的机器 人。由于在主机的周围3 6 0 度配备了障碍物传感器，因此可以在检测墙壁及障 碍物的同时打扫整个地板。当打扫完可以行驶的场所后，机器人将自动关闭电 源。它在经过4 个小时充电后可以操作1 个小时以上，通过更换配件还可以打 扫地毯。如果打扫没有障碍物的地板时，1 个小时可以打扫3 6 0 平方米。 美国专业机器人公司( i r o b o t ) 所生产的一智能型自动吸尘器( r o o m b a ) 于 2 0 0 2 年9 月面市，r o o m b a 由美国麻省理工学院人工智能实验室研制。r o o m b a 的 运转模式是以数学运算理念设计的，当它启动后会循螺旋状运转，并逐渐扩大 螺旋形方式来涵盖整个空间，一旦碰到墙壁或其他大型障碍物时，其特殊的障 碍物感应调节器就会抵住墙面保护机身不受损害，同时沿着墙壁开始清洁。当 清洁过一部分空间后，r o o m b a 会转过9 0 度，按以上的方式清洁房间的另一端， 通过交叉、重复螺旋运转的路线清洁。r o o m b a 适用于木质地板、瓷砖、防水地 毯和中短毛地毯【1 4 】。 而在国内，自动行走的吸尘器产品似乎还太超前，因为，国外吸尘器拥有 率和洗衣机几乎相当，甚至要高( 有公用洗衣房，专业洗衣店的缘故) ，在国内， 吸尘器的拥有率远低于洗衣机，吸尘器并不十分适用于工业设施相对滞后，空 气污染( 沙尘) 严重的国内环境，而恰恰因为这些更加重了地面清洁工作的繁 重，更迫切需要适合中国家庭的地面清洁机器人。 ，目前国内最新全力出击的国产k v 8 智能清洁机器人，各款都相继推出，功能 也在不断的完善，虽然在反映灵敏有些不如美国r o o m b a ，价格上占了很大的优势， 5 武汉理工大学硕士论文 性价比绝对是最好、最优的。符合我们中国国情，是我们的大众产品，也是受国 内众多消费者青睐的最重要的原因。韩国在这方面也不干寂寞，在这方面也有 重大的发展成果，并在前几年成功推出的i c l e b o ，这几年在他们国内国际销售 业绩都占有很大的比率，成为这类产品的后起之秀，特别在亚洲。以韩国国内 和台湾等亚洲消费者居多。他的功能跟伊莱克斯只少了记忆功能，它的结构紧凑， 配件简单。极易方便操作，而在价格上却是它的五分之一，导致在市场在对伊 莱克斯带来强大的冲击，虽这类产品相对伊莱克斯来说便宜很多，但将近6 0 0 0 的价格，对我国的消费者来说还是比较高的，定为高档品【1 5 】。 国际上对于机器人的研究，已经有一段时间，以一些发达国家为代表，如 美国、日本等。多用于一些危险场合，代替入的进行一些危险的工作，和比较 劳动强度大的工作。机器人的民用化，距今并没有太长的时间。 机器人正一步一个脚印地走进我们的日常生活。此前一提起“机器人 ， 就会想到汽车与电器组装厂等引入的“产业机器人一。机器人的用途越来越广 泛，已经开始承担我们身边的工作，如“剪草坪 、“清扫 等。 联合国的一个调查委员会在1 0 月3 日发表的( 2 0 0 2 全球机器人调查报告 中称，家庭服务机器人的数量2 0 0 1 年底仅2 万1 5 0 0 台( 全球。其中不包括a i b o 之类的电子宠物及高科技玩具) 。该报告预计：“这一数字在今后3 年内将猛增 至7 1 万9 0 0 0 台 。联合国的这项调查报告认为，家用机器人的性价比今后将 飞速提升，现在已经出现迅速普及的前兆。 据联合国的调查报告预测，实用家庭机器人将首先从“清扫机器人丹起步， 接着将进入“擦窗户机器人一的普及阶段。总之都与日常生活息息相关，今后 机器人的每一次进步都将令人激动不已【l 们。 机器人与其他电器产品的区别就是其“自主性一。不仅是r o o m b a ，包括最近 开始研究开发的“自主故障修复计算机 等在内，实现“自主性 成了i t 业界 的下一个主要课题。 现存机器人的主要问题，在于两个方面： 第一是成本，阻碍“家用机器人一普及的主要因素就是性价比。比如“剪 草坪机器人 等早期家用机器人的售价竞高达1 5 0 0 2 0 0 0 美元。日本日立制作 所和日立h o m e l i f es o l u t i o n 成功阴骚出家用清潆横器人，预计售价约2 0 万日元( 约和人民币1 3 5 万元) 左右。德国的迅驰r c 3 0 0 0 家用清洁机器人的 售价高达1 6 0 0 0 0 0 元。价格如此昂贵，但却故障频频，对普通消费者而言毫无 6 武汉理t 大学硕七论文 吸引力可言。 第二是机器人的路径规划，大部分机器人难以实现全局清扫，难免在屋里 留下死角和漏扫的地方，这也是机器人迟迟不能打开市场的另外一个原因。 1 3 本章小结 本章叙述了移动机器人研究的意义，介绍了世界上几种己开发的智能吸尘 机器人，讨论了市面上现有家用清洁机器人所存在的两大难题：控制成本和路 径规划。为下面的关于家用清洁机器人的研究做铺垫。 7 武汉理t 大学硕士论文 第2 章家用清洁机器人的系统构成 2 1 家用清洁机器人的系统构成 家用清洁机器人的工作环境在室内，从事的是扫地拖地等清洁工作，其移 动速度不会太快，并且对环境信息不需要极其精确，故将其硬件部分划分为3 个部分1 1 7 - 1 9 】，家用清洁机器人的硬件设计方案如下： 感测部分 中央处理单元 执行机构 传信 ，- 匿左右 感 滤1卜 号 算 肚 轮轮清 检波 一加d | k 驱驱扫 测电几 转 采控 转 州。 动动机 电路 换 集制 电电 换 电电构 路路路路路 图2 1 清洁机器人硬件框 整个系统的设计分为3 个部分：感测部分，中央处理单元，执行机构。 感测部分：机器人通过传感器感知机器人的外部环境信息，探测周围是否 存在障碍物，在实际的生活中或者由于传感器本身的问题，可能会出现干扰电 波，会干扰机器人的判断，所以在传感器的电信号进入到中央处理单元之前， 要经过滤波电路，滤去杂波。 中央处理单元：在经过滤波电路后，信号进入到中央处理单元，在对其进 行判断之前经过a d 转换，变成c p u 可以识别的数字信号，在环境信息变成数 字信号后，存储在中央处理单元的信号采集模块中，然后信号经过运算控制单 元，进行逻辑判断和程序运算，得出机器人应执行的动作指令，经过d a 转换， 传送进入执行机构【6 ，她2 n 。 武汉理工大学硕士论文 超声| 波传l 一+ 滤 l o 感器l扩 c 波a dd a 展 p 电 转换转换 网 路 口 u 开关r 8 2 5 5 ：，。、- j 图2 2 清洁机器人控制部分框图 执行机构：机器人按照指令执行动作，然后探测周围环境，进行下一个判 断，然后再动作，直至完成整个任务。 流程图如图2 3 所示： 图2 - 3 家用清洁机器人的工作流程图 本文的家用清洁机器人为三轮结构，前轮为支撑轮，后2 轮为动力驱动轮， 在机器人绕墙行走的过程中，主要通过直行、左转右转3 个基本动作来完成区 域遍历。机器人通过两个后轮的速度差来实现机器人的转向，当机器人需要左 9 武汉理工大学硕士论文 转时，处理单元通过指令使机器人右轮加速、左轮减速；当机器人需要右转时， 处理单元通过指令使机器人左轮加速、右轮减速。由于传感器的检测精度、室 内的环境以及自身的机械结构特性，使得机器入几乎不可能能保持直线行走， 在直行过程中，会通过2 个传感器来比较，通过左右转来调整，使其保持离墙 距离 2 2 , 2 3 。 以上为本文机器人硬件的主要三个部分，由于时间仓促，精力有限，机器 人的核心部分为环境信息的采集，然后机器人根据采集的信息来判断下一步的 动作。故本文的研究重点放在机器人的路径探测和路径规划方面。 2 2 本章小结 本章提出了家用清洁机器人的整体设计方案，硬件框图将机器人结构分为3 个部分：传感部分、中央处理部分和执行机构。机器人的工作流程图，机器人 在执行区域遍历的过程，是运动一路径探测一判断一再运动的过程。具体设计 在后续章节中将逐步展开，由于时间仓促研究的重点放在路径探测和路径规划 方面。 1 0 武汉理工大学硕士论文 第3 章家用清洁机器人的路径探测 3 1 传感器的选择 人类社会进入了信息时代，人们的社会生活活动主要依靠对信息资源的开 发及获取，传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测 与控制之首。因此传感器成为感知，获取信息的窗口。一切科学研究与自动化 生产过程中要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易输出与处 理的信号。所以传感器的作用于地位就特别重要了。 若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器就是人的感觉器官。可以设想没 有正常功能的完美的传感器，就不能迅速准确地采集与转换获取外界的信息， 纵有在好的大脑也发挥不了其应有的作用。科学技术越发达，自动化程度越高， 对传感器的依赖性也越大。所以2 0 世纪8 0 年代以来，世界各国都将传感器技 术列为重点发展的高技术，备受重视。 传感器技术是信息技术的基础和支柱，现在的人类社会已经进入到了信息 时代，因而信息技术对社会的发展，科学的进步将起到决定性的作用。现在信 息技术的基础是信息采集，信息传输，与信息处理，它们就是传感器技术，通 信技术和计算机技术。而且传感器在信息采集系统的前端，他们的性能将会影 响整个系统的正常工作状态与质量。因此，近十年来，人们对传感器在信息社 会中的作用与重要性，又有了新的认识。 机器人可以利用测距传感器对环境中的障碍进行探测，移动机器人上常用 的测距传感器有超声波传感器，红外传感器、视觉传感器激、光测距仪等。 红外传感器：工作原理是采用发射固定波长红外线并接受同一回波的主动 方式，探测视角小，方向性强，不易扩散，测量精度高、反应速度快。但其缺 点是受环境影响较大，镜头易被污染红外探测头探测距离比较近，探测距离最 大在l 米左右。 激光测距仪：3 d 激光测距仪利用激光强度图进行障碍物的检测，但是3 d 激 光测距仪价格昂贵而笨重，且成像速度较慢，有些激光测距仪需要安装路标配 合，不适用于清洁机器人在室内使用。 超声波传感器相对于其它类型的传感器有如下优点：环境适应能力强，在 阴影、灰尘、烟雾等环境下，应用不受限制，而且超声波传感器比视觉传感器 武汉理工大学硕士论文 和激光测距仪便宜，不容易损坏。在清洁过程中，通常只需要辨别物体的大致 形状和与机器人的距离并不需要诸如颜色、类别等信息，对环境的光线无要求 0 - 3 j 。 传感器的选择是传感器集成技术的重要组成，它使多传感器系统从适合于 系统的传感器中选择最适合的传感器结构。 一个清洁智能机器人在探测障碍物时，将大致分为“远距 、“接近、“接 触三个阶段。清洁机器人解决的问题是障碍空间的自主避障，所以它只涉及 “远距一、“接近 两个阶段。 本文基于超声波传感器的性能及其价格采用多个传感器来帮住机器人识别 其外部信息。对于超声波传感器遗漏或未及时反应的障碍，本文采用接近开关 进行处理。其避障系统装的超声波传感器可以探测前、后、左、右四个不同方 向上的障碍物，得到其与小车的距离值，小车边缘( 除安装驱动轮处外) 每边均 匀地安装接近开关，用于检测被遗漏的一些障碍或突然出现的物体阪冽。 3 2 超声波传感器的特性 3 2 1 超声波传感器工作原理 人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在2 0 h z 一2 0 k h z 范围内， 超过2 0 k h z 称为超声波，低于2 0 h z 的称为次声波。常用的超声波频率为几十i ( h z 一 几十m h z 。它具有频率较高，沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强。超声 波遇到杂质或分界面时会产生反射波，利用这一特性可制成超声波测距仪。 超声波传播频率越高绕射越弱，但反射越强，但反射能力越强，利用这种 性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为3 4 0 m s ， 这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距 离、厚度等1 。 薯霓浮凇 引脚 图3 1 超声波传感器的内部结构 1 2 武汉理丁大学硕士论文 超声波传感器亦称超声波换能器或超声波探头。它主要时由压电晶片构成 的，既可发射超声波，也可接收超声波。压电晶片可采用石英晶片或压电陶瓷( 如 碳酸钡) 片。压电陶瓷片的灵敏度高，但热稳定性不及石英晶片。压电效应具有 逆性，给压电晶片施加周期性变化的电压时就会发生形变，产生振动，发出超 声波。反之，当压电晶片受力后会产生电荷，形成电压，因此它可以接收超声 波，超声传感器的外形和内部结构如图3 一l 所示。由图可见，超声传感器是由 压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、金属网格等构成。其中，压电陶瓷晶片是传感 器的核心部分。锥形辐射喇叭主要是使发射与接收超声波的能量集中，并使传 感器有一定的辐射角：金属网格则起到保护作用，但不影响超声波的发射与接 收。常用的超声传感器，其中心频率约为4 0 k h z 。压电陶瓷晶片有一个固定的谐 振频率，即中心频率f o 【捌。 超声波传感器使用时有两种形式：反射式( t x ) 、直射式( r x ) 。 在发送器双振子端施加4 0 k h z 电压，通过逆压电效应，送出超声波信号， 接收探头经正压电效应将接收到的信号放大处理。 声波传感器的工作原理如下： 图3 2 超声波传感器的工作原理图 3 2 2 超声波传感器基本特性 1 超声传感器的指向特性陬”l 除频率特性之外，超声传感器还有一定指向特性。实际的超声传感器中压 电晶片是一个小圆片，其表面上的每个点都可以看作一个振荡源，辐射出一个 半球状的子波。这些子波并没有指向特性，但它们迭加衍射的结果却有指向特 性，图3 - 6 所示为指向特性图。从图中可知：超声传感器的指向图是由一个主 瓣和多个副瓣构成。其物理意义是在偏离角( 即偏离发射主轴线的角度) 口= 0 时 1 3 武汉理工大学硕十论文 声压最大：随着偏离角度的增大，声压逐渐减小。 相对芡敏度( 西) 图3 3 超声波指向特性 2 超声传感器的频率特性 超声发射器的频率特性曲线如图3 - - 4 所示。图中，兀为超声发射器的中心 频率，在厶处超声发射器所产生的声压能级最高，而在中心频率兀两侧，声压 能级迅速衰减。也就是说，在其它频率点处时，要么探测的有效范围有限，只 有当超声发射器工作在中心频率厶附近时，超声传感器的有效探测范围大，因 此，要使超声传感器的工作灵敏度高，一定要使用非常接近的中心频率的频率。 发射灵敏度( 皿) 1 2 0 i i 0 1 0 0 8 0 01 石t4 0 k - z 图3 _ 4 超声波发射器的频率特性曲线 超声测距系统能否有效工作的关键在于，使超声发射器与接收器协调一致 地工作。图3 - 5 即为超声波接收器的频率特性。图中厶为接收器的中心频率， 从中可看出，超声接收器的频率特性与其匹配电阻r 有密切的关系。如果匹配 电阻r 1 0 0k f f ) ，则频率特性是尖锐共振的，并且在共振频率点( 中心频率附近) 1 4 武汉理 大学硕士论文 处有很高的灵敏度：如果r 1 0 k q ，频率特性曲线变得平滑而且带宽较宽，同时 接收灵敏度也随之降低，共振频点向稍低频段移动。 一5 0 _ 6 0 - 7 0 8 0 啕0 _ 1 0 0 1 1 0 0 图3 5 超声波接收器频率特性 3 2 3 超声波传感器超声测距的不足 ( 七舷) 超声波测距在实际应用中具有很多不确定性，主要表现在瞵】： ( 1 ) 超声测距在秒= o 时声压最大，但其他情况下却很低： ( 2 ) 超声测距受环境的因素影响比较大，易产生折射和多次反射等现象，造 成测量的精度产生误差： 1 扩散性问题 在清洁机器人系统中，采用了通用分体超声传感器，较大扩散角是这类传 感器的典型特点。理想的超声传感器扩散角小，所发射的超声主要集中在主瓣 波轴附近小范围内，在空间形成细圆锥状声波场。这样，在有效测距范围内， 当超声波束被前方目标反射，通过测距系统就可知道目标的位置信息( 距离和方 位) 。事实上，超声传感器是有一定扩散性的。从图3 - 3 超声波指向特性图可看 出，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，但其能量却是分布在主波轴两侧的 范围内。 2 折射性问题 超声波束在遇到物体后，其传播方向如下图所示。有三种情况： ( 1 )当波束与物体表面垂直( 即入射角y = 0 。，则发生反射，超声波束 沿着原路返回发射点，此时，测距读数能比较准确的反映两者的 间距大小： 武汉理工大学硕士论文 ( 2 ) ( 3 ) 如果波束与物体表面有一定的倾角，如线段2 所示，则会发生折 射沿墙反射后被传感器捕捉到信号。此时，测距系统得到距离信 息大于实际距离； 如果经过若干次反射后还不能被传感器捕捉到返回波则可能发 生信号丢失的现象，如线段3 所示： 孓誊 1、- 兰，少。 么 兰：等效虚发点 图3 - 6 入射角大小对超声波的影响 上述分析仅仅针对超声探测存在的不确定性进行了分析，在移动机器人的 应用中，下面的一些问题也是不可以忽视的。 在实际应用中，超声传感器是基于时间差的原理进行测距的。当目标物体运 动速度较快时，则发射的超声波和回波之间并不一定能保证同一性，难免会导 致探测误差。在超声波探测过程中，如果目标运动速度过大，超声波测距系统 给出的读数很难保证同一性。 以上因素对测距的影响在c m 级，在测距精度要求不是很高的清洁移动机器 人应用场合，这些因素是可以忽略不计的。家用的清洁机器人在室内进行清扫 时，速度本来有限，定位相对不要求那么精确性。超声波传感器可以满足这些 需求。 从上述分析可知，当测距系统给出一个孤立的测距读数时，我们是无法确 定它是否反映了真实距离的。由于超声传感器的扩散性、角度位置偏差以及探 测“盲区等实际问题，使得超声测距的可靠性大大降低，由此导致环境探测 的不确定性进一步增加。可见，在基于超声传感器的清洁机器人环境探测时， 首先要解决好对超声测距读数“去伪存真一的问题。 3 2 4 超声波传感器的数据滤波算法 由上节中对超声传感器的工作机理和工作特性的分析可知，超声测距存在 着一定的不确定性，需要作进一步滤波处理，检测出与最接近实际的数据。根 1 6 武汉理t 大学硕士论文 据图3 - 6 所示，超声波传感器在实际应用中所探测到的回波一般有三种情况 【2 6 t ”j ： ( 1 ) 直接反射接收到回波： ( 2 ) 多次反射与折射测距接收到回波： ( 3 ) 多次反射与折射后丢失回波 实际应用中超声测距受到环境的影响，情况很复杂。返回的错误的数据在 数值上与实际正常测距读数是一样的，不好分辨。在超声数据滤波处理中，本 文采取一种最小值法处理数据。 下图为机器人的传感器分布图，五个相邻超声传感器分别为传感器1 到5 号传感器，其测距读数分别d 1 - d 5 ，如图所示。因为超声波的折射和反射性，假 设d l传感器的接收到的5 个读数为d j _ 2 - d j + ： 图3 7 相邻超声波传感器分布 剔除错误数据的过程如下： f o ri = j - 2t oj + 2 喀- - m i n d 脚，舳x ( d j ，d 删) ) ； 通过大括号里面的d ，和d 删取极大值把一些错误的小于正常读数的值可以 滤去，然后通过与本系统中事先设定的极大值取小，可以把由于多次反射和折 射造成的过大读数滤出，这样得出一个传感器相对准确的测距数据。因为是用2 ， 3 号传感器作为检测沿墙距离数据，所以取5 个传感器的最小值为机器人的对墙 距离。 d f - - m i n d 1 ，d 2 ，d 3 ，d 4 ，p 5 式中：m i n 和m a x 算子分别表示取小和取大运算。d 删和d j 脚分别为超声 波测距的最小有效值和最大有效值。本系统中d 删= 1 5 c m 和d 脚= 5 0 0 c m 。显然， 如果d d 袱二则很容易区别数据的真伪。 在本文实际应用中，清洁机器人全身有1 2 个超声波传感器，呈对称分布， 1 7 武汉理t 大学硕七论文 相邻2 个传感器的夹角为3 0 ，大多数情况下上述条件是可以保证的。 3 3 本章小结 对于智能清洁机器人而言，要获取可靠的环境信息，传感器合理的配置相 当重要。超声传感器实现简单、性价比高，通过多次信息融合可以较准确地反 映环境分布信息，所以在移动机器人系统得到了广泛地利用。本章首先从超声 传感器的工作特性入手，对超声测距存在的不确定性进行了研究，结合超声传 器的不确定性特点，提出了一种超声测距的滤波预处理方法，提高了传感器的 可靠性。 1 8 武汉理丁大学硕士论文 第4 章家用清洁机器人路径规划的研究 4 1 移动机器人路径规划技术的现状和展望 移动机器人是近年来发展起来的- - 1 7 综合学科，集中了机械、电子、计算 机、自动控制以及人工智能等多学科最新研究成果，代表了机电一体化的最高 成就。移动机器人在工业生产，常用来完成运输和上下料等任务，同时也被广 泛应用于农业、医疗等不同行业。在移动机器人相关技术研究中，路径规划技 术是一个重要研究领域。 移动机器人路径规划是指在有障碍物的工作环境中，如何寻找一条从给定 起点到终点适当的运动路径，使机器人在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所 有障碍物。这不同于用动态规划等方法求得的最短路径，而是指移动机器人能 对静态及动态环境作出综合性判断，进行智能决策。移动机器人路径规划主要 解决三个问题【捌： ( 1 ) 使机器人能从初始点运动到目标点： ( 2 ) 用一定的算法使机器人绕开障碍物，并且经过某些必须经过的点： ( 3 ) 在完成以上任务的前提下，尽量优化机器人运动轨迹。 根据工作环境路径规划模型可分为两种，基于模型的全局路径规划，作业 环境的全部信息已知，又称离线路径规划或者静态路径规划；基于传感器的局 部路径规划，作业环境信息全部未知或部分