一种室内自主清扫机器人的路径规划算法

一种室内自主清扫机器人的路径规划算法

王力虎,张海洪

(上海大学精密机械工程系,上海200072)

摘要:为了降低室内自主清扫机器人的成本,同时达到实用性强、可靠性高的要求,使清扫机器人真正走进家庭,提

出一种基于红外传感器的清扫路径规划算法。首先,分析目前现有清扫机器人设计的关键技术和存在的问题;给出本文机器人软硬件结构、传感器布置;详细描述清扫路径规划算法,该算法弥补了少量传感器采集环境信息的不足,使机器人有效判断障碍,进行环境识别,很好地适应未知环境,并且提高了清扫效率和面积。

关键词:移动机器人;路径规划;环境识别中图分类号:TP24 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2005)7-084-3

A Pa th Pl ann i n g A lgor ith m of D o m esti c Automa ti c M ov i n g C lean i n g Robot

WANG L i 2hu,Z HANG Hai 2hong

(Depart m ent of Precisi on Mechanical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China )

Abstract:For reducing the cost and making it possible f or the domestic aut omatic moving cleaning r obot t o enter ordinary fa m ily,a path p lanning algorith m was put for ward based on the infrared sens ors 1The key technol ogies f or cleaning r obot design at p resent were discussed,the s oft w are and hard ware structure of the r obot were intr oduced,and the details of the algorith m were described 1The algo 2rith m offsets the disadvantage,the s ome sens ors can only gain relatively little infor mati on fr om the envir on ment 1W ith the hel p of the al 2gorith m,the cleaning r obot can identify the indoor uncertain efficiently and achieves the high efficiency and large cleaning area 1

Keywords:Moving r obot;Path p lanning;Envir on ment identificati on

0　引言

室内自主移动清扫机器人作为移动机器人的一种,对房间环境的有效识别和路径规划是其两个关键的技术。房间环境的识别是靠传感器感知环境信息,进行分析判断,基于多传感器信息融合是目前这方面的一个重要的研究方向。其中可以采用的传感器主要有测量机器人角度方位信息的编码器,陀螺,磁罗盘;测量机器人与障碍物距离信息的红外线传感器,超声波传感器,接触式和接近传感器以及视觉传感器等[1]

。一般意义上的清扫机器人的路径规划是根据机器人感知到的环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境无碰撞的路径,并有效覆盖清扫区域的路径,如文献[2]中采用超声波传感器测距避障,文献[3]中的基于多传感器信息融合的移动机器人路径规划。路径规划的方法可采用人工势场法,栅格法,模糊神经法,可视图法,拓扑法等。而本文提出一种机器人可以轻微接触障碍的路径规划算法,该算法采用机械结构和红外传感器有效结合,识别房间环境,规划清扫路径。1　机器人平台

清扫机器人有着广阔的市场前景,而目前现有的图1　清扫机器人结构示意图

房间清扫机器人存在一个主要的问题就是价格昂贵,这是因为这些机器人采用了诸多的传感器,智能化程度高,从而使其成本很高,无法进入普

通家庭[1]

。从实用性和安全性的角度考虑,机器人可以采用少量低廉的传

感器,而且能达到令人满意的清扫效果。

本文算法是基于如图1所示的机器人平台。机器人的外形是直径为40cm 、高度为10cm 的圆盘形状,采用轮式移动机构。

驱动系统:两个直流电机驱动两个后轮,通过控制板发出的P WM 信号形成差速控制,前轮是一个万向轮,机器人可以灵活转弯。

传感器系统:前部是半圈塑料结构里面装有弹簧,碰到障碍物缩回,离开障碍物时弹起。在缩回弹起的部位装有红外传感器,根据红外探头有无信号可以判断障碍物的方位。同时在机器人右侧前方装有一个红外传感器来判断右侧有无障碍,这在机器人跟踪直墙和一般障碍物时非常有用。

编码器:两个后轮上分别装有一个光电码盘,测量机器人转过的角度信息。

控制系统:负责采集处理红外传感器和光电码盘信号,控制机器人两个后轮差速运动。采用美国Cy 2

p ress 公司的8位PS OC (片上系统)[4]

,CP U 是26643系列44引脚T QFP 封装。Cyp ress 的8位PS OC 主要特点:强大的8位哈佛结构处理器,具有独立的程序存储器和数据存储器总线,处理器速度可达24MHz;集成用户可配置的模拟模块阵列(A rray of Analog PS OC B locks )和数字模块阵列(A rray of D igital PS OC B locks )。其中数字模块进行简单设置即可以产生脉宽可调的P WM 信号,控制两个轮子的驱动电机。

吸尘清扫系统:底部真空洗尘装置,一个滚刷和橡皮刮板,垃圾被收集到一个小盒子里。

电源系统:24V 充电电池。

2　路径规划算法211　机器人路径规划模式

机器人采用三种路径规划模式:螺旋式运动路径规划,沿物体边运动路径规划,直线交叉运动路径规图2　路径规划的框图划,如图2所示。212　由光电码盘对

机器人转过角度进行推算

设光电码盘的分度数为N ,编码器收到的脉冲数为m ,轮子的直径为d,则有轮子转过的角度:

θ=2πm /N (1)车轮滚动时,轮子边缘上一点绕车轮

中心转过的距离和车

轮轮心平动的距离相等:

S =θd /2=πm d /N

(2)设机器人在环境坐标系中的位姿为(X (t ),Y (t ),φ(t ))。

d

φ/d t =(v R (t )-v L (t ))/L (3)第n +1次采样的φn +1值和第n 次采样的φ值有以下关系:

φn +1-φn =

1

L

∫n +T

n

(v R

(t )-v L

(t ))d t

=1

L

(ΔS R n -ΔS L n )(4)

ΔS R n =π(m R n +1-m R n )d /N (5)ΔS L n =π(m L n +1-m L n )d /N (6)如果规定机器人转弯时,一个轮子正转,一个轮子反转的方式,则

φn +1-φn =

1

L

∫n +T

n

(v R

(t )+v L

(t ))d t

=1

L

(ΔS R n +ΔS L n )(7)

从而由式(4)～(7)可推算出机器人转过的角度。

213　螺旋式路径规划

机器人的尺寸参数和运动参数:L —机器人两后轮之间的距离;d —机器人两后轮的直径;n L —左轮转速;n r —右轮转速;左轮和右轮的螺旋线运动方程:

r 1=L

φ/(4π)(8)r 2=L +L

φ/(4π)(9)

两轮连线的中点:

r 0=L /2+L

φ/(4π)(10)

规定机器人以逆时针按上述螺旋线方程运动。

设ρ=L /2+L φ/(4

π),经过d t 时间机器人转过角度d

φ,两轮角速度ω,在运动的过程中,机器人的瞬心为O 点,v L ,v r 和v O 分别为左右轮轮心以及两轮连线中点的速度,如图3所示。

则有以下各式成立:

v r =2

πn r d /2=πn r d (11)v L =2

πn L d /2=πn L d (12)ω=(v r +v L )/(2ρ)=v O /ρ(13)(v r +v L )L /(2(v r -v L ))=ρ(14)从而得出机器人两轮速度的比例关系如下式:

n r /n L =(4

π+φ)/φ(15)d φ/d t =πn L d /(L φ/(4π))(16)φ=π8n L dt /L (17)图3　螺旋式路径规划规定机器人左轮转速n L 为一个确定值,根据采样机器人转过的角度φ,按照(15)式对两轮速度进行匹配,机器人开始以规定螺旋线路径进行清扫,可以在很大程度上覆盖房

间空白区域。

214　沿物体边运动模式规划21411　障碍物类型

机器人的工作环境是室内房间,所以房间中的障碍物的类型以及障碍物的识别对机器人来说至关重要。对房间环境进行分析,可以归纳出两种典型的障碍物,即一般小型障碍物和墙类障碍物:

(1)一般小型障碍物:指放置在房间中间且和墙之间的距离大于机器人本身的宽度,机器人可以绕之转圈的障碍物;

(2)墙类障碍物:包括一般意义上的房间四周的墙壁,以及放置在墙边机器人无法从其中间穿过的障碍物,如沙发、立柜等家具。21412　机器人遇到障碍物采取的策略

规定机器人顺时针转时角度为正,逆时针转的角度为负。机器人转过的有效的角度累计是指正负角度之和达到-360°或360°。

(1)机器人右侧碰到障碍物采取的方案

一般小型障碍物:打开右侧前方红外传感器,逆时针转60°后,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,将实际转过的角度保存,如此一直运动判断,如果有效的角度累计到360°,结束该模式。

墙类障碍物:打开右侧前方红外传感器,逆时针

转60°后,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,如此一直运动判断,将所有转过的90°信息保存,直到有效的角度累计到-360°或到预先设定的时间,结束该模式。

(2)机器人左侧碰到障碍物时采取的方案

一般小型障碍物:逆时针转150°后,打开右侧前方红外传感器,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,将实际转过的角度信息保存,如此一直运动判断,如果有效的角度累计到360°,结束该模式。

墙类障碍物:逆时针转150°后,打开右侧前方红外传感器,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,如此一直运动判断,将所有转过的90°信息保存,直到有效的角度累计到-360°或到预先设定的时间,结束该模式。

(3)机器人前方碰到障碍物时采取的方案

一般小型障碍物:逆时针转90°,打开右侧前方红外传感器,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,将实际转过的角度信息保存,如此一直运动判断,如果有效的角度累计到360°,结束该模式。

墙类障碍物:逆时针转90°,打开右侧前方红外传感器,红外传感器测得和障碍物的距离,和障碍物保持这个距离直线前进,一旦红外传感器没有信号,顺时针转90°,如此一直运动判断,将所有转过的90°信息保存,直到有效的角度累计到-360°或到预先设定的时间,结束该模式。

机器人采取以上算法策略可以很好地判断房间中的障碍物,对于墙类障碍物机器人可以实现高效率的跟踪,利用其侧面的刷子完成对墙死角的清扫,克服了利用超声波等测距避障机器人不能靠近这一区域的缺点,提高清扫面积,对于一般小型障碍物,机器人可以准确地判断围绕障碍物运行一圈。

215　直线交叉运动路径规划

右侧碰到物体:机器人逆时针转90°后直线运动;

左侧碰到物体:机器人顺时针转90°后直线运动;

前方碰到物体:机器人逆时针转90°后直线运动;

前方、左右及两侧同时碰到物体:机器人后退并逆时针转90°后直线运动。

因为房间的环境一般都有桌椅等物体,容易形成一些狭小区域,且这样的区域一般避障清扫机器人不能进入,从而这一部分区域得不到清扫,而本文机器人体积小,应用此算法规划的运动模式能使机器人能进入这样的狭小区域进行清扫,增大清扫面积,并且能有效避免机器人在狭小区域走不出来的情况。

3　结论

基于机械结构和少量红外传感器相配合,提出了一种室内自主移动清扫机器人路径规划算法。利用该算法使机器人能很好地识别未知的房间环境,可以有效地实现了房间空白区域覆盖、墙和一般小型障碍物的跟踪,解决了狭小区域及墙角等死角区域的清扫问题。机器人的实用性强、可靠性高,并且基于该算法机器人成本可以大大降低,为清扫机器人研究开辟了新的方向。

参考文献

【1】胡跃明,丁维中,吴忻生1吸尘机器人的研究现状与展望[M]1计算机测量与控制,2002(10)1

【2】朱　勇.基于超声波传感器测距的沿边走吸尘器路径规划算法[J]1机器人技术与应用,2002(1)1【3】李瑞峰,李伟招1基于多传感器信息融合的移动机器人路径规划[J]1机电一体化,2002(4)1

【4】何永义,郭　帅,王文斌,田应仲1PS OC片上系统原理与应用[M]120031101

作者简介:王力虎(1975～),男,硕士生,主要研究方向为清扫机器人路径规划。电话:021-********,E -mail:tiger me0421@1631com。

收稿时间:2004-05-18

(上接第143页)

多余力的效果,可供系统调试参考。

参考文献

【1】Le Chit on1Actuat or disc modeling f or helicopter r ot ors.Aer2 os pace science and Technol ogy,2003(12)1

【2】刘长年1液压伺服系统的优化设计理论1冶金工业出版社,19891

【3】Andre w A lleyne1A si m p lified app r oach t o f orce contr ol f or electr o-hydraulic syste m1Contr ol Engineering Practice,

2000(8):1347～13561

【4】K1Ziaei,N1Sepehri1Modeling and identificati on of electr o -hydraulic servos1Mechatr onics,2000(10):761～7721

作者简介:王新民(1958～),男,西北工业大学自动化学院副教授,博士研究生,研究方向控制理论及自动化检测装置。电话:(029)88495736:E-mail:wangx m878 @sina1com。

收稿时间:2004-04-12