智能割草机器人的研究综述

1、智能割草机器人的研究综述第29卷第4期2007年7月机器人ROBOTVo1.29,No.4July,2007文章编号:1002-0446(2007)04-040710智能割草机器人的研究综述丛明,金立刚,房波(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连l16023)摘要:分析了国内外智能割草机器人的研究现状.讨论了智能割草机器人在机械结构,传感系统和路径规划算法等方面的现有研究方法.指出了智能割草机器人研究中存在的问题.最后,展望了智能割草机器人的发展方向.关键词:智能割草机器人;机械结构;感应系统;控制系统;路径规划算法中图分类号:TP24文献标识码:AIntelligentRob

2、otMowers:AReviewCONGMing,JINLigang,FANGBo(KeyLaborator?/forPrecn8ndNon.tr口dM.chingTechnnkgyMtEduc毗DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)Abstract:Thispaperanalyzesthestateoftheartofintelligentrobotmowers,anddescribesthecurrentapproachesforintelligentrobotmowersintermsofmechanism,sensingsyst

3、emandpathplanningalgorithm.ExistingproblemsinthefieldofintelligentrobotBowelsarepointedout.Finally,futuredevelopmenttrendofintelligentrobotmowersispresented.Keywords:intelligentrobotmower;mechanicalstructure;sensingsystem;controlsystem;pathplanningalgorithm1引言(Introduction)随着经济的发展,各国城市建设逐渐深化,城区的绿化程度

4、也随之提高,大量的公园草坪,足球场草坪,高尔夫球场草坪等公共绿地均需要进行维护.在各种草坪维护作业中,以草皮修剪工作最为繁重,不仅枯燥,而且重复性强,通常需要消耗大量的人力和物力j.为了降低草坪维护作业的劳动强度,近年来一些西方国家提出用现代电子技术和智能控制技术来改造和提升草坪机械产业的战略,并于1997年的OPEI(OutdoorPowerEquipmentInstitute)年会上,第一次提出了智能割草机器人(IntelligentRobotMower,IRM)的概念,希望在不久的将来用智能割草机器人取代传统的割草机.智能割草机器人是集环境感知,路径动态规划和行为控制等多种功能于一体的综

5、合机器人系统,与传统的草坪修剪机械相比,智能割草机器人更具有优势:第一,智能割草机器人可自主工作.传统的割草机自动化程度比较低,需要人工操作,而智能割草机器人内部搭载了高速微处理芯片,能结合传感器信收稿日期:20060831息自行识别外部的工作环境并进行作业,不需要或者仅需要少量的人工干预.第二,智能割草机器人具有较高的安全性.智能割草机器人采用了传感单元和控制系统,与人工操作传统割草机相比,智能割草机器人的灵敏性更强,检测范围更宽,精确度也更高,并且不会带来因疲劳而造成的意外事故.此外,智能割草机器人还可以根据不同条件按一定的策略控制自身的各个元件,来最大程度地降低伤害的可能性,如:当车体倾

6、翻时,停止割草刀片的运行等.第三,智能割草机器人更利于环境保护.传统割草机的割草机构主要通过内燃机和蓄电池驱动.采用内燃机供能时,会产生高分贝的噪声和燃烧不充分的废气,这将严重影响操作者及周边人员的身体健康;采用蓄电池供能时,虽然能降低污染,但受电池电量及体积的限制,在割草过程中需要操作者往返多次进行充电,降低了实用性.而智能割草机器人由于采用了自动控制系统,能返回预定地点而不需要人工干预,所以智能割草机器人采用清洁的电能时,不会带来额外的劳动量.并且,由于智能割草机机器人2007年7月器人具有体积小,重量轻和所需功率小等特点,在阳光充足的地区,完全可以采用太阳能电池作为动力源,更能体现其低污

7、染的优势.当然,割草机器人也存在一些需要改进和完善的不足之处.比如,为了适应不同类型草坪的割草任务,智能割草机器人的机械本体结构还需要进一步的优化;由于智能割草机器人在户外非结构化的空间中工作,其控制能力和安全性还有待于提高;需要研究基于无线网络和移动电话通讯网络的智能割草机器人远程通讯技术等.2研究现状(Stateoftheart)最早的割草机器人大约诞生在第二次世界大战结束之后(20世纪5060年代左右),受时代的影响,大量的军工技术开始转向民用领域,极大程度地带动了家庭生活的自动化.图1为摘录于互联网的早期割草机器人产品,日期不详,虽然图中的机器人并不具有智能性,仅能依靠人工遥控进行作业

8、,但却为以后智能割草机器人的发展提供了一定的基础.图1早期的割草机器人Fig.1Earlyagemowerrobot割草机器人智能化的研究建立在智能控制领域逐渐发展的基础上,微型处理器的研制成功又使得利用小体积,低功耗控制器进行运动控制成为可能,在最近的二十年里,不同种类的智能割草机器人相继问世,它们大多性能相近,能自动割草,同时具有定时启动,自动充电等辅助功能.割草机器人的智能性主要体现在其自主工作的能力上:低智能的割草机器人只依据设定的轨迹进行工作,不具备动态分析外部环境的能力,当在路径上遇到障碍物时停止,等待障碍物离开后再继续运行或请求人工协助绕开障碍物;中等智能的割草机器人则依照某种策

9、略绕过障碍物,但不能保证完全覆盖除障碍物以外的其他所有区域,剩余未割草坪由人工修整;高智能的割草机器人能直接建立工作区间的地图,具备路径自主规划和决策的能力,无需任何外部因素干预即可实现割草区域的完全遍历.由于割草机器人属于民用领域,总会受到制造成本的约束,往往并不能采用昂贵的定位和视觉处理设备来保证其高智能性,因此目前所见到的割草机器人大多处于中等智能水平到高等智能水平的过渡阶段.2.1国外研究现状国外对智能割草机器人的研究已有十多年的积累,并取得了一定成果,从事研究的单位既包括公司企业和大专院校,也有机器人爱好者团体和个人.在欧洲和北美等草坪拥有量高的西方发达国家,已将智能割草机器人作为产

10、品在市场上销售,但基本上都属于中等智能水平;在美国,草坪业已经成为其十大支柱产业之一,为了促进智能割草机器人的研发,从2004年起每年都要举行一次自动割草机器人比赛(AnnualAutonomousLawnmowerCompetition)5.6J,目的在于实现智能割草机器人的全自主运行.图2FriendlyMachines公司的Robomow(RLIO00)Fig.2Robomow(RL1000)ofFriendlyMachinesCorp图3早期的RobomowFig.3EarlierageRobomowFriendlyMachines公司设计的FriendlyRobomow(如图2,图3

11、所示,图2为最新型号,图3为早第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述期型号)是目前市场化最成功的智能割草机器人产品之一.该机器人(RLIO00)重约22kg,体积为89cm65cm31.5cm,驱动电源为两枚24V,17Ah的免维护铅酸电瓶.Robomow采用三轮小车为本体,后轮用两个不同的直流电机驱动,前轮为起导向作用的万向轮,前端搭载了3个150W的高速电机控制割刀,能形成宽53cm左右的切割区域,Robomow割刀的最大特点是可将割下来的草茎粉碎成3mm以下的碎草沫,形成天然的肥料再释放回草坪中去,其具体结构参见图4.图4Robomow的底部结构Fig.4BottomofRobo

12、mowRobomow具备自主充电能力,每次充电大约可工作2.53h,能覆盖500m.左右的草坪,同时还具备防偷盗的辅助功能,部分型号还可以进行遥控操作.在Robodlow割草前,使用者需要用电缆将草坪边界,静止障碍物以及机器人不能进人的区域围起来(图5中的),形成待工作区域,Robomow通过感应电缆中的电信号进行导航.当Robomow(图5中的)探测到电缆后会反向运行,然后转过相应角度后正向运行,再次检测到电缆后重复以上过程,反复迂回运行于事先设定好的范围内.非电缆确定的障碍物(图5中的)通过超声波传感器检测并简单绕行,但不能保证工作区域的全部遍历.Robomow的主要传感器为一个位于前端的

13、超声波传感器以及一组排列在车体外缘的接触开关.其他的智能割草机器人产品也都与Robomow的工作原理类似,虽各有特色,但都是利用埋信号电缆的方式划定工作区域.图6为意大利Zucchetti公司生产的AmbrogioRoboLawnmower,体积为574226ClTI.,采用了四轮结构,后两轮为驱动轮,前端为两个导向轮,支持锂电池,铅酸电瓶和自动充电,每次充电工作时间大约为2h,虽然它较Robomow要小一些,但却能支持3000m左右的草坪,割刀高度的调节范围为2070mm.AmbrogioRoboLawnmower最大的特点是带有雨水传感器和留有互连网接口.雨水传感器可以让机器人感知外界的天

14、气变化,当下雨时自动返回到安全地点,以防止内部电路因潮湿而受损.互联网接口可为机器人提供远程服务,如进行远程故障诊断以及机器人内部软件远程升级等.此外,Zucchetti公司的产品还有Oscar割草机器人,如图7所示,它的性能指标和AmbrogioRoboLawnmower基本类似,区别在于Oscar型割草机器人体积更小,更适合于小型家庭草坪的修剪任务.图5Robomow的工作原理Fig.5HowdoesRobomowworks图6Zucchetti公司的AmbrogioRoboLawnmowerFig.6ZucchettiAmbrogioRoboLawnmower图7Zucchetti公司的

15、Oscar(在充电仓内)Fig.7ZucchettiOscar(insidethecharger)4l0机器人2007年7月瑞典Electrolux也是比较早涉足割草机器人相关产品开发与研制的公司之一,图8为该公司生产的HusqvarnaAutoMower割草机器人.图8Electrolux公司的HusqvarnaAutoMowerFig.8ElectroluxHusqvarnaAutoMowerAutoMower割草机器人重约8.6kg,体积为7160X26cm,支持自动充电,单次充电割草面积约为1800m,依靠一枚l8V,22Ah的智能锂电池供电.与AmbrigioRobo.Lawnmow

16、er类似,AutoMower采用了四轮结构的驱动,后两轮差动驱动,前两轮为万向导向轮.在AutoMower割草机器人上,Electrolux还采用了更多的适合于草坪切割作业的设计:带有齿状突起的大尺寸驱动轮可驱动AutoMower更可靠地在粗糙的草坪上行驶;AutoMower机器人外壳采用整体悬挂的安装方式,可以迅速捕捉到任何对外壳的碰撞信号;割草高度可直接通过机器人顶部调节等.在Electrolux公司的Husqvarna品牌下,还有其他型号的智能割草机器人,功能上跟AutoMower基本类似,主要差别是在外形,最大爬坡角度,电池类型和驱动轮直径等方面.图9为Husqvarna另一型号的Au

17、toMower,图l0为配备有太阳能电池板的HusqvarnaAutoMowerJ0.图9另种型号的HusqvamaAutoMowerg.9AnotherversionofHusqvamaAutoMower比利时Belrobotics公司生产的Bigmow是一种适用于修剪中型及大型草坪的割草.器人,见图11.Bigmow重约48kg,体积为12012050cm,通过一个24V,l5Ah的镍铬充电电池供能.Belrobotics公司还采用了24V的无刷直流电机和直径达450mm的驱动轮,以及5个24V,3200r/min的切割电机,使其更合适在大面积的草坪上作业.图l0带有太阳能电池板的Husq

18、vamaAutoMowerFig.10HusqvarnaAutoMowerwithsolarcells图11Belrobotics公司的BigmowFig.11BelroboticsBigmow图l2俄亥俄大学的智能割草机器人Fig.12OhioUniversitySintelligentrobotmower除上述公司外,还有很多院校以及科研机构都积极展开了智能割草机器人的研究.图l2为美国俄亥俄大学研制的智能割草机器人样机.该机器人的整体框架为铝合金,利用两个直流电机驱动,速度约为16km/h,它共使用了3个微处理器,1个陀螺仪,支持远程控制和自动运行.机器人的导航系统的核心为差分全球定位系

19、统(DifferentialGlobalPositioningSystem,DGPS),能精确地跟踪机器人在工作区第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述411间的位置.与传统的全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)相比,差分全球定位系统能将全球定位系统的信号通过已经精确测定位置的基准台再次修正,有效地削弱了各种误差,具有更高的精度,十分适合户外移动机器人的定位.凭借该机器人的出色表现,俄亥俄大学在2004年及2005年连续两次获得导航研究所年度自动割草机器人竞赛(InstituteofNavigationSAnnualAutonomousLawnMowe

20、rCompetition,ALMC)的冠军.其他参与比赛的还有伊利诺斯理工学院(I1T)和俄亥俄州迈阿密大学(MUO)等学校,其中liT的代表队获得了2005年自动割草机器人竞赛的亚军,而MUO的代表队则是2004年首届该竞赛的亚军.图13和图14分别为各个代表队的参赛样机.IIT的割草机器人采用了分体式设计,由中央移动单元和电动割草机两部分构成.中央移动单元包括了运动及运动控制系统,传感系统,导航系统和电源,电动割草机紧固在中央移动单元上,接受控制命令及电源.MUO的割草机器人则采用了双能源的设计,割草机构通过汽油引擎驱动,而移动部分依靠电瓶驱动,电瓶可通过汽油引擎进行充电.图13liT的割

21、草机器人Fig.13liTsrobotmower图14MUO的割草机器人Fig.14MUOsrobotmowerLawnNibbler(如图15)割草机器人是由佛罗里达大学机器智能实验室开发的,目前已经进入到了第3代的研究,主要的研究领域是实现具有自主学习能力的智能割草机器人,比如通过学习自动识别花,宠物等障碍和学习全区域覆盖策略等方面.图15佛罗里达大学的LawnNibblerFig.15FloridaUniversitysLawnNibbler图16NREC的自动割草机Fig.16NRECsautonomousmower针对大型高尔夫球场地草坪的修建,卡耐基?梅隆大学机器人研究所的国家机器

22、人工程中心设计了一种大型的智能割草机器人,如图16所示,该机器人是由大型载人割草机改装而成的,添加了影像识别系统,中央控制计算机和全球卫星定位系统等自动化设备,实现了真正意义上的高效自动割草作业.2.2国内研究现状国内对于割草机器人的研究起步时间较晚,参与该领域的研究单位也比较少,但仍取得了一定的成果.南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割孳机器人.见图17),并成功开发出了MOROI,MOROII等若干型割草机器人样机.南泉堙工大学412机器人2007年7月对割草机器人的总体设计(见图18),路径规划,避障,定位系统,控制系统等从理论上进行了较全面的讨论并提出了一种廉价实用的总体方案,还

23、根据机器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式,为电机选择,控制系统硬件电路主要元器件参数选择提供了计算依据,为进一步深入研究割草机器人打下了基础.MORO型移动割草机器人的主要导航设备为驱动轮编码器和磁航向传感器,能自动生成无信标边界并在内进行全区域覆盖行走.该机器人的体积约为80X51x40cm,重约50kg,刀片的转速高达5000r/rain,适用于大面积草坪的修剪工作.此外,南京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草机器人上来,如基于Internet的机器人控制技术和太阳能草坪割草机关键技术18,19等.图17南京理工大学的MORO移动割草机器人Fig.17MOROmowerrobo

24、tofNanjingUniversityofTechnology图18MORO的机构简图Fig.18MOROsframe图19江苏大学的割草机器人结构简图Fig.19MowerrobotofJiangsuUniversity与其他轮式割草机器人不同,江苏大学研制了一种履带式割草机器人,具有GPS定位导航的功能,能高效高速地进行作业,适用于大面积的草场区域.该机器人由两部分组成,一部分为广茂达公司生产的AS.RF履带式机器人,另一部分为自行设计的割草机台.此外,江苏大学还针对不同的草坪给出了合理的切割高度,这为割草机器人的研究提供了重要的依据.3研究方法(Researchapproaches)虽

25、然割草机器人的研究平台有很多,国内外的科研机构在此领域也做出了大量的工作,并有部分的产品投放市场,但其中很多并没有达到完全自主运行的条件,割草的效果也不是十分理想,因此割草机器人的研究仍处于起步阶段0.但可以肯定的是,在众多科学家的共同努力下,近几十年来的积累已为割草机器人的研究形成了一整套的研究方法,具体体现在机械结构,传感系统和路径规划算法等几个方面的理论,对这些理论进行深入细致的研究能进一步促进割草机器人.f勺发展J.3.1割草机器人的机械结构割草机器人的本体包括割草机器人车架体,车轮,减速器,驱动电机,蓄电池,传感系统,控制系统和割草机构等主要部分.对割草机器人进行合理的机械结构设计能

26、为割草机器人在运行时提供可靠的稳定性,安全性和灵活性.整个割草机器人的机械结构又可分为两个方面:割草机器人的驱动机械结构和割草机器人的割草机构.3.1.1驱动机械结构设计割草机器人属于户外移动型机器人,针对该类型的机器人有各种驱动方案可供参考.根据户外移动型机器人的工作特点,文23,24和25对户外自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨论.在文23和24中指出,户外移动机器人的运动方式有轮式,履带式和足式等多种.轮式和履带式驱动方式适用于较平整路面,而足式驱动方式适用于特殊的,条件相对恶劣的环境,也有的移动机器人为了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用.割草机器人一般工作在条件较好的草坪上

27、,结合其他工作要求,割草机器人大多选用轮式驱动方式.在文25中,又指出轮式驱动方式根据轮子数目又分三轮,四轮和六轮等几种.三轮方式结构比较简单,能够满足一般需要,应用也比较广泛,如图20中的(a),(b).四轮方式的稳定性好,承载能力比较大,但第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述4l3结构相对复杂,如图20中的(c),(d).六轮方式与四轮方式类似,具有更高的承载能力,稳定性和柔性,多用于未知环境的探测,如月球车和火星车等.根据转向方式的不同,轮式驱动方式又可分为铰轴转向式和差动转向式两种.铰轴转向式如图20中的(a),(c)所示,转向轮装在转向铰轴上,转向电机通过减速器和机械连杆机

28、构控制铰轴从而控制转向轮的转向.差动转向式如图20中的(b),(d)所示,在车体两侧的驱动轮上装有不同的控制电机,通过两轮的速度比来实现车体的转向,在该情况下,非驱动轮应为自由的万向轮.在割草机器人中,这些机械结构均有采用,其中最典型的是三轮差动的驱动方式.该方式的优点是结构简单,运动灵活和能实现零半径转弯等,缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度和控制系统的精度要求比较高.(b)(c)(d)图20移动机器人驱动方式的选择Fig.20Drivingmodeselectionofmobilerobot为了实现割草机器人预定的工作要求,还需要对割草机器人运动学的模型进行分析和讨论,以指导机械设计

29、的过程,割草机器人的运动学模型也为割草机器人的仿真和路径规划提供了数学基础.本文将给出三轮差动这一典型割草机器人驱动模式的运动学模型.如图21所示,万向轮只对机器人起支撑作用,其对车体系统数学模型的影响可以忽略.以下为涉及的参数:图21车体系统运动学模型Fig.21KinematicmodelofthevehiclesystemyX,Y:驱动轮轴心:智能机器人的角速度L:左驱动轮的速度:右驱动轮的速度:两个驱动轮间的距离车体的运动学模型:=(R+L)/2(2)【=(R一L)/L(1)式和(2)式相加得:r=cos=(R+L)costh/2Y=vsinth=(R+UL)sinth/2(3)【击,

30、:假设时间域为0,t,各个变量的初始值分别为:,y,th,.,Yo,.,则(3)式的定积分公式为:.+旦dy:+d(4)=.+d将时间域0,t划分成足够小的子区间0,t,414机器人2007年7月t,t,t一,t一,t,t,每个区间作为一个控制周期.在每个时间区间t一1,t,k=1,2,n,t.=0里,智能割草机器人运动学模型的定积分公式为:一+;f(+)df一k一1y咖_l+.3.1.2割草机构设计割草机构是智能割草机器人的终端执行机构,用来进行草坪修剪作业,割草机构的设计直接关系到割草机器人性能.文26和27详细讨论了割草刀片在高速旋转时所产生气流的流场,分析了刀片运行时的模态,不平衡离心

31、力和动态响应等参数.分析的结果为进行割草机器人的刀片及割草机构设计提供了重要的依据.文21和28提出了常见草坪的合理修剪高度,设计了具有高度调节功能的割草机台,同时该割草机台还设置了出草通道,以免发生草屑堵塞.设计割草机构时应当综合考虑实际需求.为了降低传统割草机的噪音和废气污染,割草机构的驱动能源多为电能,这就要求割草刀片在工作时尽量不要发生卡死,锁紧等现象,以避免烧毁电机及驱动电路.由于割草刀片处于高速运转状态,还应考虑刀片及电机的散热问题.此外,家庭用割草机器人要特别注意刀片的安全性,应严格依照文29设计,充分考虑潜在的危险,以使其对人体及其他动物的伤害降至最低.3.2传感系统割草机器人

32、属于典型的户外移动机器人,工作时将处于非结构化空间内.割草机器人要检测固定的和移动的障碍物,获取自身的运行参数(如坐标,方向,速度和加速度等信息),用于判断潜在的危险,并决定相应的对策.因此,割草机器人必须具备一个完备的传感系统.由于户外移动机器人技术已有多年的经验积累,所以很多成熟技术可供割草机器人采用.另外,一些正在发展的新技术也逐渐引入到割草机器人领域中来.通常,割草机器人装备的传感器有超声波传感器,红外线传感器,视觉传感器,金属探测器,光电码盘和人体热释传感器等.超声波传感器的探测范围为10cm3m,红外线传感器的测试范围为5mm80cm,由于都属于反射式距离传感器,将两者结合可以测量

33、机器人与障碍物之间的距离.值得指出的是,在户外环境工作时,超声波的速率往往会受到温度的影响,因此暴露于户外的超声波传感器需要利用温度传感器对输出的结果进行补偿,在文32中指出了一种高精度超声波传感器的数据补偿方法.视觉传感器也可作为测距元件,但与其它测距传感器相比,视觉传感器还能识别各种复杂的移动物体(包括人和车辆等),建立工作空间模型,更能让遥控操作变得更直观,但是视觉传感器要与图形处理算法结合才更有效.文33就介绍了一种割草机器人的视觉算法,用于生成工作区域地图和检验割草效果.在利用埋入地下的金属导线作为工作区域界限标识的情况下,采用金属探测器进行边界检测.光电码盘可检测割草机器人的运行速

34、度,加速度及角加速度等参数,利用这些信息可实现机器人运动的闭环控制.人体热释传感器是通过接收人体释放的热量对行动的个人进行识别的元件,通过特殊的调节还可用于动物的识别.随着科技的发展,一些先进的导航技术也正逐渐延伸到民用机器人领域.例如,文34中的割草机器人的传感系统采用了GPS技术,通过检测卫星的信号来确定割草机器人在工作区间中的具体位置.文35中更是利用添加基站的DGPS技术提高了割草机器人在工作区间内的定位精度.值得注意的是,这些采用外界定位系统辅助的割草机器人都需要搭载网络通讯设备,已经超出了传统的单机机器人的概念.另外,一些高端的玩具和模型上使用的感测元件也可以应用在割草机器人上,如

35、电子罗盘,惯性计和多通道遥控平台等,这些元件由于产量相对较大,成本也相应低一些,替换起来也很方便.总之,在设计割草机器人传感系统时应当充分考虑预算,实际需求和工作状况等条件,使整个系统达到最优配置.3.3全区域覆盖路径规划为了实现割草机器人的预定功能,需要对割草机器人的路径进行全区域覆盖规划.所谓全区域覆盖路径规划(CompleteCoveragePathPlanning,CCPP)是指对机器人的路径进行规划,使其完全覆盖工作环境中所有无障碍的区域l3.根据不同的策略,全区域覆盖路径规划又可分为随机路径规划和非随机路径规划两种.其中,基于环境地图的全区域覆盖路径规划是割草机器人路径规划中的研究

36、重点和难点.第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述4l5采用随机移动路径规划的机器人不需要对环境有预先的了解,公平对待整个区域,主观上不愿意遗漏对任何局部区域的覆盖.文36采用的方式是让机器人直线行进,当机器人遇到障碍物时向后随机转一个角度,然后继续直线进行.由于该规划方式不需要特殊的算法,实现非常简单,更不需要机器人附加特殊的导航设备,所以在市场化的割草机器人产品中有着非常广泛的应用.但是,该方法存在着单位时间内覆盖率低和智能程度低等缺点,实现全工作区域的覆盖是以高能源消耗和高重叠覆盖率为代价的.为了改变随机移动路径规划的缺点,有人提出了非随机路径规划的策略,其基本方法有往复前进路径

37、规划和螺旋收缩路径规划.文38详细讨论了往复前进式路径规划.这种方法的缺陷是单次运行时会留有因障碍物遮挡而引起的盲区.为了消除或者减少盲区,通常需要进行多次不同方向的往复前进,显然次数越多,重叠覆盖率越高,效率也就越差.螺旋收缩式路径规划是另一种常用的方法,该方法受制于工作区域边界的形状,往往是边界形状越规则,效果越好,虽然也有部分改良算法通过跟踪以前路径的内缘按螺旋收缩路径规划完成全覆盖,但仍然会在遍历结束后留有部分未覆盖的区域.由于存在这些问题,因此基于环境地图的全区域覆盖路径规划方法得到了重视.基于地图的全区域覆盖路径规划方法是指机器人通过某种方法(自身的传感器或通讯设备等)获取工作区域

38、的地图信息,然后将工作地图分割成多个无障碍的子区间进行轨迹规划.基于地图的全区域覆盖路径规划的核心技术有未知环境的地图生成,工作地图中子区问的分割和子区域衔接等.对轨迹的时间最短优化和能耗最低优化也是该领域的研究热点.4存在的问题(Problems)智能割草机器人仍然存在许多待解决的问题:1)智能割草机器人机械本体仍需要进一步的优化.作为家用型服务机器人的智能割草机器人,需要有适合实际工作目标的机械本体结构,而不能仅仅是对户外移动机器人结构进行单一的扩展.还需要从驱动轮结构,车体底盘构型和割草机构等多方面对智能割草机器人机械本体进行测试,分析和优化.此外,智能割草机器人内部存在高速旋转的割草电

39、机和铅酸电池组,在运行时电流较高,会产生较大的热量,在智能割草机器人机械本体的设计上还应当考虑如何利用运行时产生的空气流动进行散热.2)智0I草机器人的学习能力不强.目前的智能割草机器人还无法完全摆脱大量的外部信息,如何实现智能割草机器人在陌生环境下的全区域覆盖作业是智能割草机器人研究的重点,因此还应当在智能割草机器人控制系统中引入更高级的智能学习算法.3)智能割草机器人与外界的通讯还需要增强.在提升智能割草机器人自主工作能力的同时,还应当增强智能割草机器人与外界的通讯,以获得传感器以外的信息,增强智能割草机器人的通讯能力不仅能提高其在复杂环境下的工作能力,还能实现多台智能割草机器人的协同作业

40、.4)改进全区域覆盖的路径规划算法,实现无标识工作区域的边界信息识别.现存的智能割草机器人大多需要辅助的设备来区分工作区域,因此如何让智能割草机器人运行在无标识的工作区域并实现全区域覆盖的路径是重要的研究方向之一.可以考虑选择处理速度更快的微处理器,以进一步提高边界信息的采集频率和边界识别过程的实时性,或设计新的方案,如基于磁化航迹方法建立和识别工作区域边界,感知并识别草坪的切割与未割边界区域.5展望(Outlook)(1)高安全性的通用型智能割草机器人.智能割草机器人是家用型服务机器人,因此更需重视安全可靠和使用方便.智能割草机器人具有通用性,能够适应形态各异的草坪环境自主可靠地完成割草任务

41、,并且对人及周遍设施具有较高的安全性.(2)基于互联网络和蜂窝数字通讯网络的智能割草机器人.利用局域网,因特网技术和蜂窝数字通讯网络(GSM)进一步扩展割草机器人的控制手段,使其控制不再受空问和地域的限制.(3)多智能割草机器人系统.多个智能割草机器人构成机器人编队,通过多机器人协调控制,能够高效地完成割草任务.分布式人工智能的多智能体理论为其发展提供了良好的理论基础.(4)绿色环保的太阳能智能割草机器人.智能割草机器人工作在开放的户外环境,可充分利用环保的太阳能作为其动力能源.机器人能够吸收和储存太阳能并可根据天气情况对是否工作进行自主决策.此方向的发展符合现今的节能标准,也有利于降低智能割

42、草机器人工作时对周边环境的污染.4l6机器人2007年7月参考文献(References)1HuangYY,CaoZL,OhSJ,eta1.AutomaticoperationforarobotlawnnlowerA.ProceedingsoftheSPIE(vo1.727)C.Bellingham,WA,USA:SPIE,l986.344354.2HicksRWII,HallEL.Surveyofrobotlawnl/lowersA.ProceedingsoftheSPIE(vo1.4197)C.Bellingham,WA,USA:SPIE,2000.262269.3祖莉.割草机器人全区域覆

43、盖运行的控制和动力学特性研究D.南京:南京理工大学,2005.4Anon.OutdoorPowerEquipmentInstituteEB/OL.http:/opei.I/lOW.ore,/,20060716.5Anon.The3rdAnnualIONAutonomousLawnmowerCompetitionEB/OL./,20060601.6Anon.InstituteofNavigationEB/OL./satdiv/alc/.20060201.7Anon.FriendlyRoboticsEB/OL./,20060320.8Anon.AmbrogioRobotEB/OL/robotic/jsp/index.jsp,20060305.9Anon.HusqvamaAutomowerEB/OLhttp:/www.automowercorn/.20060601.10Anon.HusqvarnaAutomowerEB/OL.http:/www.automower.co.uk,2006一o4一