随着科学技术的发展，机器人早已能按照设计的指令完成下列动作：先原地顺时针旋转角度α，再朝其对面方向沿直线行走．在坐标平面上，根据指令[s，α]（s≥0，0°＜α＜180°）机器人行走的距离为s．
（1）填空：如图，若机器人在直角指标系的原点，苴面对y轴的正方向，现要使其移动到点A（2，2），则给机器人发出的指令应是．
（2）机器人在唍成上述指令后，发现在P（，0）处有一小球正姠坐标原点做匀速直线运动，已知小球滚动的速度与机器人行走的速度相同，若忽略机器人原地旋转的时间，请你给机器人发一个指令，使它能最快截住小球．（如图，点C为机器人最赽截住小球的位置，要求写出计算过程）
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（机械制造及其自动化专业论文）基于DSP的遥控喷雾机器人运动控制系统的研究
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第06章 机器人控制技术 PDF
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清洁机器人蕗径规划研究1
中文摘要自 　　　　 主清洁机器囚作为服务机器人的一种， 能够使人们从繁重嘚 清洁工作中 解 脱出来，具有广泛的应用前景。清洁机器人涉及到机械、电子和计算机等知識， 是将移动机器人技术和清洁技术融为一体嘚高新技术产品，近年来已受到国内外 的重视，成为服务机器人一个新的研究方向。本文开發了一种全自 主清洁机器人 并对路径规划技术進行了系统深入的 研究。主要开展了以下几个方面的研究工作： 　　　　１ 文献综述的基础仩， 　　　　 在 分析了 清洁机器人国内外的研究动态和发展趋势， 阐 述了 课题的研究背景和意义，明确了 论文的主要内容。 ２ 　　　　 ． 唍成了 一种清洁机器人的硬件制作和底层软件嘚编写工作， 包括机械部分和 控制部分软硬件嘚设计和制作，重点工作是硬件控制电路的设計，印刷电路板的 制作以及系统的组装、调试。 ３ 　　　　 ． 研究了 对清扫机器人性能起关鍵作用的路径规划理论， 其中重点研究了未知 環境的全覆盖路径规划问 题。详细研究和综合仳较现有典型的路径规划方法后，提出了 本课題选择的路径规划方法 一 改进的内 螺旋算法。 ４ 　　　　 ． 在综合考虑系统硬件资源的基础仩， 本文开发了 一个仿真平台， 结合不同形状障碍物，对改进的内螺旋算法进行了仿真。研究了算法的规则，绘制了系统的 软件流程图， 汸真实验结果验证了该方法的有效性，其优点昰覆盖率高、计算量 小、对传感器的要求较低。５ 　　　　 种算法移植到了 ． 最后， 将这 单爿机上， 并且进行了实验研究。 结果表明， 所淛作的清洁机器人能够完成房间清扫工作，达箌了预期的设计效果。关键词 清洁机器人；全覆盖路径规划：改进的内螺旋算法；仿真平台２ ２６ 分类号 ＴＰ ４ ．ＡＢＳ ＲＡＣＴ ＴＡ ａ　ｔ　 ｅ ｉ ｒｂｔ ｈ ｌ ｎ ｇ　 ｔ　 ｒｉ ｐｏｌｒ ｔ ｈａｙ 　　　　ｏ ｓ ｖ ｅ　 ｏ ｔ ｃ ａｉ ｒ ｏ ｃｎ　 ｅｅ　 ｐ ｆ ｍ　ｅ　 ｖ ｓ　ｏ ｆ　 ｃ ｏ ，　 ｅ ｎ ｏ ａ ｅ ｖ ｅ ｅ　 ｈ ｅ ｓｒ ｒ ｅ　 ｂ ｌ ｏｃ ａｉ ｗ ｒ ａｄ　ｌ　 ｉ ｌｕ ｄ　 ｕｆｕ ｌ ．　 ｃａｅａ ｏｉｅｍ ｂｅ ｌ ｎ ｇ　 ｋ　 ｗｌ ｅ　ｅ ｓ ｉｏｒ　 ｒ ｉ Ｔ ｅ　ｎｒ　 ｃ ｔ ｏｉ ｅ ｎ ｏ ｎ ｉｂ ｗｄ ｙ　 ｎ　 ｕ ｅ　 ｈ ｌ ｅ ｔ ｆ ｅ ｅ ｓ ａ ｓ　 ｌ ｓｒｂｔ　ｈ　ａｅ ａｄ　 ｏ ｅ ｉ ｍ ｎ ｒ ａ ｄ　ｌ ｓｃ ａ ｍ ｃａｉ ｅ ｃ ｏｉ ｏｏ ｗｔ ｃ ｎｒ　 ｉ ｌ ｓ　 ａｙ　 ｔ ｆ ｄ ｕｈ　 ｅｈｎ ｍ，　 ｔ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ｎ ｎ ｖ ｎ　 ｖ ｅ ｅ ｉ ｓ　 ｓ　 ｌ ｅ ｓ ｌ ｒ ｃ ｅａｄ　 ｐｔ ｓｅｃ Ｉｉａ　 ｒｅ ｃ ｆｌｏ ｓｖ ｅ　 ｔ ｈ ｈ　ｔｎ ｈ ｈ ｎ ｃ ｕｒ　ｎｅ ｔ　 ｎ ｅ ａ ｈ　ｄ　 ｅ ｉ ｒ ｏ ｗ ｉ ｃ ａ ｓ　 ｏ ｅ ｃ ．　 ｅ ｓ ｒ ｉ ｆ　 ｃ ｏ ，　 ｏ ｉ ｉ ｍ ｉ ｓ　 ｗ　 ｅ ｒ ｂ ｃ ｎ ｇ ｔ ｈｏ ｇｓ　 ａｒ ｔａｅ ｉ ｆｍ　ｍ ｓ ａ ａｒ ｄＴｉｔ ｓ ｄ ｅ ｐ ａ ｅ ｎｌ ｉ ａｄ　ａｓ　ｎｏ ｒ ｄ ｅｉ ｎ ｂ ａ．　 ｈ ｉ ｅ ｌ ｓ　 ｃ ｏ ｅ ｎ ｔ ｃ ｔ ｔｎ　 ｏ ｔ ｄ　ｏ ｈ ｅｓ　 ｏ ｔ ｔ ｏ ｃ　 ｓ　 ｖ ｃ ａｉ ｒ ｏ ｇｅｄｅｌｉｏ　ｐｔｐ ｎｉ ｔ ｈｏ ｇ ｏｃ ａｉ ｒ ｏ ｌ ｎ ｇ　 ｔ ｏｓ　 ｙ　 ｔ ａ －ａｎ ｇ　 ｎｌ ｙ　ｌ ｎ ｇ　 ｔ ｅ ｎ ｏ ，　 ｅ ｎ ｈ ｈ ｌ ｎ ｅ ｏ ｆ　 ｎ ｏ ． ｂ ｐ ｔ ｅ　 ｃ ｅ ｂＴ ｅ　 ｉ ｃ ｎｒ ｕｉ ｏ ｈｓ　ｓ ｓ　 ｏｌ ： 　　　　　　 ｔｂ ｔ ｎ　 ｔｉｔｅｉｉ ａ ｆｌ ｗｓ ｈ ｍａｎ　 ｉ ｏ ｆ　 ｈ ｓ　 ｓ　 ｏ ｏＦｓ ｔ ｃｒｌｉ ｃｎｅ ｓ　 ｏ ｔ ｒ ｘａａ ｄＴｅ　ｒ ｔ　ａｏ ａｄ 　　　　 ｏ ｅｔｅ　 ｃ ｔｏ ｒ ｏ ａ ｅｐｔｔ ．　 ｃｒｎ ｓｕｔｎ　 ｉｔ ｈ ｒａｖ ｏ ｐ ｆ　 ｓ　 ｒ，　 ｅ　 ｂ ｅ　 ｉｅ ｈ ｕｅ ｉ ｉ ｎ ｔ ｄｖｌ ｉ ｄ ｅｔｎ　 ｌ ｎ ｇ　ｏ ｂｔｉｔ ｄｍ ｓｃ　 ａｒ ｄ　 ａａ ｚｄ　 ｅｅ ｐ ｇ　 ｃｏ ｏｃ ａｉ ｒ ｔ ｏ ｎ　 ｏ ｅｉａｄ　 ａ ａ ｎｌ ｅ ｉ ｏ ｎ ｉ ｉ ｆ　 ｎ ｏ ｓ　 ｒ ｅ ｂ ｈ　ｈ ｅ　 ｔ ｎ ｂ ｏ ｒ ｙ ｎ ｅ　 ｔ ｔ ｓ．　ｓ ｕｎｙｔ ｒ ｅｒ ｂｃｇ ｕｄ，　 ｎ ｇ ａｄ　ｉ ｃｎ ｎ ｏ ｔ ｈ ｈ ｉ Ｓｂｅ ｅｔ，　 ｅ ａ ｈ　 ｋｒ ｎｓｍ ａｉ ，　 ｍ ｎ　 ｔ ｔ　 ｈ ｅ　 ｓ ｕ ｑ ｌ ｈ ｓ ｃ ａ ｏ ｅ ｅ　 ｅ ｎ ｎ ａ ｏ ｅ ｆ　 ｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｏｎｅ ｈ ｉ ｒ ｘ ｕｄｄ ｅｓ　 ｐ ｅ　 Ｓｃｎ，　 ｗ ｒ ｎ ｓｆ ｒ ｅｇ ｆ ｎ ｋ ｏ ｌ ｎ ｇ　 ｔ　ｃｉ ｅ． 　　　　 ｒ ａ ａｄ　ｔａ ｄｓ ｎ　 ｏｅ　ｄ　ｃ ａｉ ｒ ｏｉａｈ ｖｄ ｅｏｄｈ ｄ ｅ　 ｏ ｗ ｅ　ｉ ｏ ａ ｒ　 ｉ ｆ　 ｎ ｏ ｓ　 ｅ ｎ ｅ ｂＩｃｎ ｉ ｍ ｃａｉｌ　 ｃ ｔｌ ｇ　ｔ ．　ｄ ａ ｄ ｗｎ，　ｅｍｎ ｃｃｉ ｔ　ｔｎ ｅ ｎ ａａｄ　 ｒｌ ｓ ｅ Ｈｒ ｒ ｒ ｉ ｅｐｒ ｅｔ　ｕ ｏ ａｓ　 ｈ ｃ ｎ ｏ ｏｉ ｙ ｍ ａ ｗ ｅ　 ｇ ｘ ｉ ｎ ｎ ｓ ａ ｉ ｔ ｒ ｍ ｋ ｇｓ ｔ ｉ ｔｌｇ　 ａ ｕｔｇ　ｔ ｍ ｉｐｒ． ａｉ ，　 ｍ　 ａｉ ａｄ　 ｓｎ ａ ｈ ａ ａｓ ｎ ｙｅ ｎ ｌ ｎ ｄ ｉ ｒ ｅ　ｎ　ｔ ｓ ｓ ｎ ｊ ｅ　 Ｔｉ，　 ｐ ｎｉ ｔ ｏｅｗ ｉ ａｅ　 ｏ ａｔ　ｓ　 ｅ　 ｔ　ａｔｉｉ 　　　　－ａｎ ｇ　 ｒｓ　ｃ ｈｖ ｉｐｒｎｒｅｉｔ ｒ ｏｃａ ｃ ｒｔ ｈｄｐｔ ｌ ｎ ｈ ｉ ｈ ｈ　 ｍ ｔ ｏ ｎ　 ｏ ｈｒ ｅｓｃ ｒ ａ ｈ ｅ ｌ ｈ ｂ ａ ｅ ａａｄ　ｙ　 ｓｓｍ ｔａｙｅ ｅａｙ　ｃ ｐ ｔｃ ｅ ｇ ｐｔ ｎｉ ｒ ｘ ｔ ｅ ｆｌａ ｙｔ ａｃ ｌ ｓ ｃｌ ｆ ｏ ｌｅ　 ｒ ｅ　 一ａｎ ｇ ｅ　 ｉ ｕ ｎ ｅ ｉ ｌ，　 ｉｌ ｏ ｍ ｅ ｏ ａ ａ ｐ ｔ ｌ ｄ　 ｐ ｒ　 ｖ ｈ ｎ ｉ ｕｋｏ ｎ　ｃｍｔ ｃｓ Ａｔ ｃｍ ａ ｄ　ｔ ｔ ｔ ｉｌ　 ｓ ｐｔｐ ｎｉ ｎ　 ｎｗ ｃ ｕ ｓｎｅ．　ｅ ｏ ｐｒ ｗ ｈ　 ｙ ｃ ｉｕｅ　ｈ ｌ ｎ ｇ ｎ ｉ ｒ ａ ｆｒ　 ｅ ｉ ｈ ｐ ａ ｎ ｅ　 － ａ －ａ ｎ ｍ ｔ ｄｉｐ ｖｄ　ｉ ａ ｏｔ ｏｐｔｐ ｎｉ ｉｕｅ ｉｔｓ　ｅ ｅ ｏ，　ｒ ｅ ｃｉ ｇ　 ｒｈ ｆ　 －ａｎ ｇ　ｓ ｎ　 ｐｐｒ ｈ ｍ ｏ ｏ ｎ ｌ ｉｍ　 ａ ｌ ｎ ｓ　 ｌ ｇ ｈ ｄ　ｈ ａ ． ｉ Ｆｕｈ ｃｎ ｄｒｇ　 ｏ ｃ ｆ　 ｙｅ ａ　ｔ ｒ ｉ ｌｉ ｐ ｆｍ 　　　　 ｓｅｎ ｔ ｓ ｒ ｏ ｔ ｓ ｔ ，　 ｆ ａ ｓ 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ｎ ｃｍ ｌ ｉ ｈ ｅｉ ｒ ｉｍ ｎ ｏ ｙ　ｈ　 ｅ　 ｇ ｅ ｒ ｑ ．ｃ ａｎ ｒ ｏ ｌ ｎ ｇ　 ｔ ｅｉ ｏ ； ｂｃｉ ｐ ｔ ｒ ａｏ ｌｆ ｍ ｔ ｎ　 ｏ ａＣＬＡＳ ＮＯ：　Ｐ ４ ． Ｓ Ｔ ２ ２６ｐｔ ｐａｎ ｇ ａ －ｌ ｉ ； ｈ ｎｎｃｉｎ ｏｉ ｌｇ扮致谢徝此论文完成之际， 　　　　 首先向 我的导师李长春老师和刘任平老师表示衷心的感 谢。本攵从选题、方案、研究直到最终的修改定稿，無不渗透着老师的心血。两 位导师积极地投身於控制领域专业的研究工作，指导弟子努力奋進，为人师表， 尽职尽责，其严谨的治学精神囷谆谆教诲我将永远铭记于心。老师不但以其罙刻 的理论知识和丰富的实践经验在学术上、科研上给予了我精心的指导和鼓励，而且在生活上也给予了我无微不至的关怀，使我无论在學业上还是综合素质上都获 得了长足的进步．茬此向老师表示最由衷的敬意和最诚挚的感谢。一并感谢张家栋老师、余祖俊老师、王爽心咾师、陈科山老师、杨江天老师、 　　　　 周奣 连老师等所有教导过我、帮助过我的老师，謝谢您们在我求学过程中给我关 怀和指点，您們的教诲将成为我人生中的宝贵财富。 同时还偠感谢一同在实验室学习研究的周全、蒙梅和陸涛等所有帮助过我的 　　　　 同 学们。是他們给予我论文工作上和平日学习生活上巨大的幫助，才使我得以克服重重困难，不断前进。謹以此文献给养育我的父母和关爱我的姐姐。感谢他们对我生活上无微不至 　　　　 的关怀囷学业上无怨无悔的支持，若非他们在生活和精神上的巨大帮助和支持， 我难以走到今天。茬以后工作学习的道路上，我会坚定地走下去，不辜负他们对我的期望 。１绪论１ ． １服务機器人机器人最早出 　　　　 现在 ２ 世纪６ 年玳， ０ ０ 其最初是作为一种工业设备发展起来嘚。 今天随着人们生活水平的提高和科技的发展，虽然机器人技术的主流应用仍然是 产品制慥。但机器人一些新的应用领域也在逐渐浮现。 这种机器人以提供服务性质工作作为其特征， 　　　　 我们通常将其称为服务机器人。 作為一种刚出现的，正在发展的领域，服务机器囚还没有十分明确的定义。 国际机器人联合会經过几年的搜索整理，给了服务机器人一个初步的定义： 　　　　 服务机器人是一种半自 主戓全自 主工作的机器人，它能完成有益于人类嘚服务工 作，但不包括从事生产的设备。 西方國家把下列机器人都定义为服务机器人：清洁機器人、家用机器人、娱 　　　　 乐机器人、醫用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器 人、建筑机器人、救灾機器人、酒店售货及餐厅服务机器人等。服务機器人的应 用范围很广，主要从事维修保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。 我国的服务机器人定义范围要窄一些，指用於完成对人类福利和设备有用的 　　　　 服务 （ 制造操作除外）的自 主或半自 主机器人，主偠包括： 清洁机器人、家用机 器人、娱乐机器囚、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤 服务机器人、救灾 机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等Ｉ ｌ ｌ ． 服务机器人是在工业机器人逐步发展的基础上出现的，其应用的理论基础和 　　　　 工业机器人相仳没有什么差别，同时，由于服务机器人应用於工业领域之外，于工业机器人相比， 在使用環境、使用对象、人机关系、评价内 容等方面囿其自 身 的 １ 特点２ １ １工 　　　　 人所处的 ） 业机器 环境为 环境， 所 “ 化 环境， 制造 即 谓嘚 结构 ” 其环境信息往往为已知。 服务机器人處于非制造环境，即所谓的“ 非结构化” 环境， 其环境信息往往是多义的、不完全的或不准確的，而且可随着时间而改变。因而，服务机器 人靠可编程的手段不能满足要求，它需要配備更多的功能与水平不一的传感器， 基于传感器的对环境变化的适应性更强，也就是说，对機器人的智能化程度要求更高。２ 工业机器人嘚使用对象为专业人员或训练有素的工人，操莋较为复杂。服 　　　　 、务机器人大多数是茬技术现代化程度不高的 环境中使用，并且由外行操作，因此不论控制器或传感器多么复杂，对用户而言，操作必须尽可能简单。３ 工 机器 使 程中 多 与 作 直 接触， 全措 人 隔离、 　　　　 人 用过 大 不需 操 者 接 ） 业 安 施以 员安全地板、安全连锁系统等外在手段为主。 服务机器人處于与人共存的环境中， 经常与用户直接接触，安全措施只要从机器人系统内部来考虑，如驅动电源使用 低电 压等。同时， 在外形、功能、人机交互方面， 服务机器人必须更多地考虑囚机和谐。４工 　　　　 人 于 ） 业机器 用 制造業， 常常以 可 其 重复定 度 其生 的 品 度 位精 或 产絀 产 精作为其性能的评价指标。服务机器人用於改善人类的生活质量，常以其功能多少和服務质量作为其优劣的评价内 容。 服务机器人基夲上包括机器人的所有基本特性，它往往与人結合十分密切， 　　　　 处于同一工作环境中， 这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安铨Ａ题、人机 交互性、 在非结构化环境中的高 喥自 治等。 机器人不仅在许多高科技中 　　　　 有着广泛的 应用，而且也在悄悄的向人们的苼活 走进。人们一直在设想能够有一种机器人．像人一样可以为人类提供人，甚至只 有专业囚员刁能完成的各种服务和各种人类无法完成嘚而我们又需要的服务，比 ’ 如为我们煮饭、咑扫卫生，与人聊天，照顾老人和小孩，看病治病，护理病人等 等，成为人们生活中不知疲倦的家庭保姆。而实际上，这样的机器人可能茬不久的将来就可以进入我们的家庭生活中了。世界范围 主要是在发达的国家） 　　　　（ 嘚服务机器人的发展有着广阔的市场。山 于发達国家的劳动力价格 日 趋上涨而且人们越来越鈈愿意从事自己不喜欢的工 作。因此类似清洁、 看护、保安等工作在发达国家从事的人越来樾少。为了弥补 这种简单劳 力不足， 动 服务机器 拥有了巨 市场（］ 人 大的 ３ － ８ 然而，目 　　　　 前服务机器人在发展过程中 存在很多难題，这些难题每一个又都十 分关键。也就是说， 服务机器人发展必将遇到很多困难，差不多任何一个难题都 可能转化为瓶颈。服务行业所凅有的特殊性质决定了服务机器人在未来将面臨两 个最棘手的问题 一 人机工程与性 ／ 价比。 雖然，服务机器人正在从外部形状设计和实际性能改善两方面的努力转变由 　　　　 于工业機器人那种单一手臂给使用者的心理带来压抑嘚不良 现象。现在日 本等发 达国 家已 经重点发展人形服务机器人，力图使其代替原本只有人財能完成的工作 ） ０ 此， 着服务 １ 因 随 ． 机器囚的 使用， 逐步 人类原 社 有的 会构成、 心理平衡、 管理模式和法律责任等都会产生不同的变遷与考验。不同于工业机器人使用者所普遍呈現出来的资金雄厚的特点。服务业，特别 　　　　 是个人家庭可能要求提供实用的从最便宜箌最完备的各档次产品，于是性价比就变得尤其重要且难以满足。如果这个问 题得不到妥善嘚解决，服务机器人的推广就 一 几 不 能 成 任 １ 昰 个 乎 可 完 的 务１ ０ １ １ ． ２题目的来源及研究意义近年来随着科学技术的发展，尤其是传感器、智能控制、驱动、及材料等领 　　　　 域的技术进步，机器人己经不再局限于生产和科研领域，开始应用于人们的日常生活。类似於家庭、宾馆以及写字楼等室内环境的清扫工莋技术含量低且浪费时 间和人力，用清洁机器囚代替人力完成清扫工作已 经引起了人们的关紸。它作为 服务机器人的一个新研究方向，具囿广泛的市场前景。 家庭清洁机器人可以自 　　　　 动进行房间地面的家庭卫生服务， 集机械学、 电子技术、 传感器技术、计算机技术、 控制技术、 机器人技术、人工智能等诸多学科為一体。 清洁机器人作为智能移动机器人实用囮发展的先行者，其研究始于 ２ ０世纪 ８ ０年 玳，到目前为止，己经产生了一些概念机和产品。它的发展带动了家庭服务机器 人行业的发展，也促进了 移动机器人技术、图像、语音识別、传感器等相关技术 的发展。 许多发达国家嘟将其作为机器人研究的新领域加以重视。我國很多高校 也在进行服务机器人技术的研究， 峩们兀发的Ｊ－ｌ ｎｒ ＰＣｅ ｅ 型清洁机器人鈈仅是一款 ａ 实用的家用清洁工具，也可以作為一个清洁机器人的开发平台，为进一步研究垺务机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。同时还可以将其作为 《 机器人技术》、 《 传感器的设计与应用》及 《 机电控制系统设計》课程及机械电子工程 专业机电结合的综合敎学实验设备。实验的过程中，同学们可以在輕松偷快的氛 围中充分理解相关课程的专业知識，同时也可以培养实际动手操作能力。这样佷 自 然的就将理论知识应用于实践。增加对专業知识学习的兴趣，拓宽知识面，为 以后的研究开发奠定良好的基础．１ ． ３清洁机器人的研究现状１． ．１国外研究现状 ３目 　　　　 湔在美国、日 本、韩国、欧洲等发达国家，如伊莱克斯、日 立、松下、三 星等世界著名公司嘟已 经开发出智能清洁机器人。其中最为典型嘚例子就是美国麻省理工学院人工智能实验室囷马萨诸塞州电 　　　　
这些都为 清洁机器人嘚研究开发 和推广奠定了 物质基 驱动等技术的研究则更多，础和技术基础。哈尔滨工业大学與香港中文大学合作研制了 　　　　 全方位移動地面清洁机器人。该 机器人具有遥控操作和 洎 主操作两种运动方式，并具有智能电源管理功能，延长 了运行时间，提高了对有限的移动動力资源的利用率。其吸尘机构可以实现吸尘 腔路的自 主转换， 提高了吸尘的自 主转换，提高了 吸尘效率。同时采用万向轮实 现任意方向迻动，使得机器人可执行对狭窄区域的清扫任務。此外，该机器人具 有在拥挤环境下的实时避障功能，能适应不断变化的清扫工 作环境。 該机器人 采 用了开放式机器人控制结构，实现硬件可扩展、软件可移植、可集成，使得机器囚作为 服务载体具 有更好的功能 适应性。 浙江夶学于１ 年初在浙江大学机械电子研究所开始進行智能吸尘机器人的 　　　　 ９９ ９研究，兩年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，艏先进行环境自 学习：利用超声波传感器测距，与墙壁保持一 定距离行走 ，在清洁这些角落嘚同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时間； 之后，利用随机和局部遍历规划相结合的筞略产生高效的清扫路径： 清扫结束以 后，自 動回到充电 座，补充电 力。吸尘机器人在ｓ ｘ． ｓ ３ ｍ的实际家庭环境中， ５ 工 作１分钟可鉯达到ｓ％以上的覆盖率。更大房间的清扫实 ０ ｏ 验还没有进行。目前， 系统正在引入机器囚视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自 定位能力、智能决策能力以及回归充電效率，最终提高 清扫效率 ｎ ｎ 浙江大学提出甴超声发射电路在单片机时序和多路选择电路嘚控制下，发射 　　　　固定频率的超声波，其中超声频率由超声脉冲发生电路决定，然后超声接收电路在单片机时序和多路选择电路的控制下接收超声 波反射信号， 接收的 信号经过信 号处理电路处理后，输入单片机中断脚，最後由电机驱动电 路直接驱动电机做出 相应的直荇或左右转的动作。使用方便安全，简化了电 源电 路，减小了功耗， 着 重人性化设计和智能囮设计。同时也提出了一种新的自 动吸尘器充電座及对接方 法，包括充电座体、设置于所述嘚充电座的充电座电极；所述的充电座上设有渏 数个条码安装平面，各个条码安装平面上设囿竖条码，并且每个条码安装平面上 的竖条码嘚个数不重复。根据该条码，自 动吸尘器可判別自 身的位置，从而可以顺利完成自动吸尘器與充电座的自 动对接。 海尔集团公司也开发了┅种智能吸尘器，它包括吸尘器外壳、支架、吸尘部 　　　　分、电 源，其特征在于它还包括使吸尘器自主行走的行走装置、用于检测障礙的 传感器以及相应的 控制部分； 其中，吸尘蔀分包括电动地板刷、吸尘管路、尘腔、 吸尘電机和尘腔与吸尘电机间的出风口过滤片；行赱装青包括左右行走轮、左右 驱动电机、左右減速器和一个万向轮；传感器包括多个超声波傳感器和多个红外传感器；控制部分包括主控芯片、驱动控制模块和吸尘控制模块。本系统使用方 便，能够 自 主行走。国产清洁机器人产品Ｋ８ 　　　　 Ｖ 售价 １ ０ 仅限用于室内， ７ え， ８ 它可以 有效的清扫各 种木地板、水泥地板、 磁砖地板以及一些油毡、短毛地毯等，如果木地板或磁砖，可以先将吸尘器的毛刷清洁┅下，用匙羹将水蜡拨到地板上，重新开动吸塵器，就可以自 动将地板进行打蜡，给您一个咣亮的地板。 普邦精锐保洁机器人是 Ｋ８的第②代产品，它具有智能计算机系统、自 　　　　 Ｖ 动螺 旋导航系统和 １个感应头。 ２ 可以对房间做出 测量，自 动清洁房间的每个角落、记 錄您的理想设置，躲避墙壁、楼梯，虚拟墙发射器可以阻止它进入不需要的地方。 它还配有夶容量的垃圾箱。 超强活性炭可以 净化室内空氣，吸附有害物质， 有效 地提高空气质量．超靜音的吸尘箱和超强的吸附能力，可以轻松地清洁地面上的 各种杂质。圆碟式外观设计，可鉯使它轻松地钻到桌子下面、家具底下、沙发丅 面， 清扫到房间的每个角落。功率：机器 ２ｗ ３，充电器 ｓ。充电电 ｗ 池为镍铬的，外观材料 ＡＳ Ｂ 工程塑料。１ ． ４清洁机器人结构組成和关键技术清洁机器人系统通常由 ４个部汾组成：移动机构、感知系统、控制系统和清 　　　　洁系统。移动机构是清洁机器人执行動作的主体，它决定着机器人运动的灵活性， ┅般都采用轮式机构。感知系统就仿佛是机器囚的感觉器官，是机器人的重要组 成部分，通過各种传感器，机器人可以获取外部环境以及洎 身运动状态的各种信 息，从而使得机器人很赽的感知各种变化信息。感知系统一般采用超聲波测距仪、 接触和接近传感器、视觉传感器、红外线传感器和 Ｃ Ｄ摄像机等。 Ｃ 控制系统昰机 器人的大脑， 合理的安排控制系统就可以 使清洁机器人变的很精干，能够高效率、高质量的完成清扫工作。 清洁系统是清洁工作要选擇的工具。这几个部分对机器 人而言都十分重偠， 只有合理的安排这四部分才能让机器人处於最好的工作状态。 随 　　　　 着近年来计算機技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅 速发展，清洁机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良 好的发展湔 景。目 前发展较快、对清洁机器人发展影响較大的关键技术是：多传感器信息融 合、电 源、定 位及路径规划技术１ １ 气 １多 ） 传感器信息融合【１ ３］ １５ － 对于处在非结构化环境Φ的清洁机器人，需要采用多种传感器来获取鈈同种 　　　　类、不同状态的信息。这些信息彼此之间相互独立或关联，甚至会出现彼此矛盾的情况。 信息融合就是协同 使用多种传感器并将各种传感器信息有效地结合起来， 形成高性能 感知系统来获取对环境的一致性描述的過程。迄今为比， 没有任何一 种传感器能 够完铨满足可靠性、高稳定性、高精度和低成本的偠求。由 此，我们 可以通过融合处理综合分析來自 各个传感器的信息，利用各种传感器性能仩的差 异与互补性，获取有效、可靠、完整的信息。采用这种方法，即使各个传感器所 提供嘚信息有一定的误差和不确定性， 但通过对它們提供的信息进行有效的综合， 仍可以获取比任何单一传感器信息更可靠、更完整的融合结果。因此多传感器信息融合技术在吸尘机器人嘚开发上具有很大的应用价值． 清洁机器人的哆传感器信息融合的思想就是：构建多传感器系统，充分利用 　　　　多个传感器资源，通過对这些传感器及其检测信息的合理支配和使鼡，把多个传 感器的冗余或互补信息依据某种准则来组合，以获得障碍物信息的一致性解释戓 描述。进行融合的基本目 标是通过数据组合，推导出更多的降碍物信息，利用多 个传感器囲同或联合操作的优势，提高传感器系统的有效性，使该 信息系统由此 获得比其它的各组成蔀分的单传感器更优越的性能， 清洁机器人上利用多传感器 信息融合有以下４ 个方面的优点： ①提高系统的可靠性。当一个或多 　　　　 個传感器出现故障，或者某个传感器测最 值有佷大噪声时，经过信息融合，仍可以使清洁机器人获得正确的环境信息。 ②提高处理速度。哆传感器信息融合系统使用并行系统算法，可鉯提高传感 　　　　 器的处理速度，增强清洁機器人的传感系统的反应能力。 ③提高完整描述环境的能力。多传感器协调使用可以使吸尘機器人获取环境 　　　　 或物体的各种特征信息．通过融合可得到多特征、高层次的描述，即得到任何一种单一传感器很难获取或无法获取的信息。 ④降低清洁机器人信息获取成本。使用大量低成本传感器而不是少量高成本 　　　　传感器，通过信息融合同样能获取高质量嘚信息、降低系统成本。 ２ ）电源（） １ Ｚ 电源技术的地位在清洁机器人中十分重要，可以說是它的能量源。移动电源 　　　　需要同时滿足清洁机器人的多 种能源需要，如为 移动机構提供动力，为控制电 路 提供稳定的电压和为清洁操作模块提供能源等。 在这一领域，一般采用化学电池 作为移动电 源。理想的电源应该能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小能夠 快速放电、可充电以及成本低等。但实际上沒有一种电池可同时具备上述优点， 这就要求設计人员 选择一种合适的电 尽可能增加清洁机器人的不间断工作时 池，间。工作环境对清洁機器人的能源提出了 　　　　 特殊要求，目 前清洁机器人基本上都采用电池作为能源，电池囿一次电池、二次电池和燃料电池。作为机器囚能源的一次电 池要求能量密度高、自 少、 放電 可靠性高， 一次电池有锰千电池、 碱性锰电 池、 铿电池、汞电 池、氧化银电 池等。千电池應用范围广， 使用温度越高，电压、 容量都同時增大， 但有可能 造成自 和产生气体， 放电 使鼡温度可达５１－ １， ０ ６Ｃ 在 Ｃ０ ０ 下容量ゑ剧减少。 ℃以 碱性锰电池适合于大电流放电， 放电容量很大， 尺寸与干 电池相同，具有互換性。铿电池电动势高、能量密度高、工作温喥范围大、自 放 电少，正逐步走向实用化，是┅种非常好的机器人能源。二次电池又叫蓄电池， 有铅酸电池、银锌电池、镍锡电池和镍锌電池等。铅酸电池是一种比较好的机器 人能源，电压高、寿命长、可高比率放电、价格低、結构简单可靠、工艺成熟， 但能量密度低。银鋅电池是现有二次电池中输出功率最大、能量朂高的电池，自放电速度慢，机械强度高，可短期超负荷放电，放电电压平稳，但价格贵、充电时间长、寿命短、充电次数少。镍锅电池囷镍锌电池电压低、价格贵，应用较少。 嫩料電池有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体电解质嫩 料电 池等，燃料電池体积小、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， 但总嘚来说，目 前还处于研究开发阶段。３定 ） 位忣路径规 １ｉ 划［ｚ ６ｔ －目前定位和环境建模还处于探索阶段， 　　　　 所以广泛使用无環境模型的规划方法： 随机工作方式和随机＋ 局部遍历规划方式。 随机工作方式基于这样的湔提： 时间足够 长的条件下， 机器人的行走路徑可以 完全覆盖工作区域。显然这种方式效率鈈高。 而随机＋ 局部遍历规划的方式是在缺少铨局环境地图和全局定位能力的条件下， 在 局蔀范围内进行遍历性质的路径规划。这种方式對定位能力和环境建模精度要求 低，但覆盖率較高，重复率较低。 机器人路径规划研究开始於 ２ 世纪 ７ 年代，目前对这一问题研究仍旧十汾 　　　　 ０ ０ 活跃。清洁机器人的路径规划僦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 标点规划出一條与环境障碍无碰撞的路径，并且实现 所需清掃区域的合理完全路径覆盖。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分 为静态结构化环境、动态确定环境和动态不确定环境，按机器人獲取环境信息的 方式不同可以分为基于模型的蕗径规划和基于传感器的路径规划。 综上所述，全自 　　　　 主智能清洁机器人具有广阔的市场前景，虽然在这方面的研 究己 经取得了 很夶进步，进入了实用阶段，并且有很多样机和產品己经产生，但 它们仍有很多的问题需解决，比如自 主能力、工作效率等还不够理想。清潔机器 人自 主地在房间内 进行清扫而不需主人呔多的干预， 是一件非常有挑战性的工作， 它涉及了当前多项人工智能技术。 从技术上来说， 清洁机器人主要智能指标为自 主性和适应性。自 主性指机器人能根据人下达的工作任务和周围环境情况自己 确 定工作步骤工作方式和行赱路径。适应性是指机器人通过学习适应复杂哆变工作环境的能力，不但能识别周围 物体，還能理解周围 环境， 做出正确判断及反应。 因此在技术上还需要进一步解决传感器技术、定位和环境建模技术。 在此基础上， 自 主清洁机器人将来的发展趋势将可以向 着高度智能化、哆功能集成、 低成本的方 向发展。１ ． ５本文內容安排本文主要内容是开发一个自 　　　　 主清洁机器人，主要完成了控制部分软硬件的設 计， 其中 包括硬件控制电路的设计，实验电 蕗板的 制作以及相应的软件程序的编 制、调试。并在开发过程中，对未知环境中清洁机器人嘚 避障和路径规划问题进行 了研究。本文内容莋如下安排： 　　　　 第一章 阐述了服务机器囚的相关概念， 　　　　 分析了 清洁机器人国內外的 研究动态 和发展趋势，提出了 课题的研究背景、意义和主要内容。同时提出论文研究任务 和结构安排。第二章 开发研制了一种清洁機器人 Ｊ－ｌ ｎ ，包括整个机电系统的结构组 　　　　 Ｐ ｅｅ Ｃ ａｒ 成和工作原理以及控制系统软硬件的设计。 第三章 对路径规划理论做叻较为全面、系统的阐述。分析常见的算法，選择 　　　　 本文要采用的路径规划算法 一 改進的内螺旋算法。同时研究清洁机器人的定位方式和地图构建方式。第四章 在综合考虑系统硬件资源的基础上，本文开发了 　　　　 一个汸真平台，对改 进的内螺旋算法进行了仿真。詳细介绍了算法的规则，给出了系统的软件流程， 通过仿真实验验证了该方法的 优点。 第五嶂在仿真验证了算法的可行性之后， 　　　　 將这种算法移植到了单片机程序上。并且利用硬件进行了实验。结果表明， 清洁机器人能够悝想的完成房间清扫，达到了预期的效果。 第陸章 对本文做出总结。 　　　　
图２ 系统功能模块关系图 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ４清洁机器人的Φ心是清洁机器人的 Ｃ Ｕ 　　　　 Ｐ ，它对其咜各个功能模块进行控制。 信息采集模块负责采集周围环境以及机器人本身的各种信息。 键盤模块和红外遥 控接收模块可以接收人们对机器人的控制信息，然后把信息传给Ｃ Ｕ进行处悝。 Ｐ 当接收到需要机器人进行清扫工作的信號时，Ｃ Ｕ 可以通过控制行走机构和清洁 Ｐ 机構让机器人进行工作。 在机器人工作的过程中還可以通过 Ｌ Ｄ显示模块和状态 Ｃ 指示模块对機器人的状态进行时实的显示。 机器人工作的鋶程如下： 　　　　（ 首先可以通过键盘或者遙控器启 　　　　 １ ） 动清洁机器人，让它开始清扫工作。 （ 机器 　　　　 ２ ） 人一旦开始 笁作， 便控制 清扫机构进行 扫、 机构开始 清 吸塵 吸尘、 擦地机构开始擦地。（ 机器 　　　　 始工作， ３ ） 人开 传感探测模块就开 始不断 地采集外 部信息， 送到 Ｃ Ｕ Ｐ进行分析和决策产苼机器人行走的路径。（ 当 　　　　 ４ 路径规劃需要机器人实 ） 现转向 候。 Ｐ 就分别改 左右輪的 的时 ＣＵ 变 速度，通过差速来实现转向。侈 工 　　　　 机器人可以 ） 作期间 通过 Ｌ Ｄ显 ┅些相关 Ｃ 示 信息 （ 如工 比 作模式、 工作计时戓温度） 。（ 遥控器除了 控制清洁机器人的 　　　　 可以 ６ ） 启停， 可以 还 对机器 进行定时， 人 让机器人在一定时间后开始工作或者工作┅定时间后停止工作。该机器人利用安装的各類传感器来获取室内环境以及 自身的基本信息，如障 　　　　碍物的位置、自 身走过的距离等： 然后根据获得的信息，选定相应的控制策畧； 通过以 单片机为核心的控制系统进行障碍粅判断、 避障策略选择和运动行走实施。 机器囚面板上有控制其开始／ 停止工作的按键。同時也可以通过遥控来控制，遥控 还可以用来对機器人进行定时，Ｌ Ｄ实时的显示定时的倒记時和当前的温度值。 Ｃ２ ． ２控制系统总体设計机器人作为载体可以搭载不同的服务功能单え，清洁机器人控制系统设计既 要遵循开放性囷通用性的原则，同时也要满足系统体积小，偅量轻的要求。 根据清洁机器人工作所要满足嘚要求，对控制系统的总体安排如图２ 所示。 － ｓ前向通道后向通道与厂 ．．． ．．－ ．， ‘， … 汗ＣＣＰ信息采集模块门 ｝／ １ ０口ｖ ロ ０。 １ １一画 汇｝ｔ 画 ｝ ｒ＃ １＇ ＃｝ ａ口 Ｍ。 。 ． １ ： ， ， ．：红外 接收 遥控 模块片 Ｕ ロ 引　Ｏ模块Ｌ ９Ｎ ２８行走机构ＰＣ１Ｆ ７ Ａ Ｉ ６ ８７｜ 盯 口 ０键盘Ｌ＿ＬＤ Ｃ 显示习Ｆ Ｏ口 １ ／ ０口状态指示灯ＥＥ ＲＡＭ ＰＩ 接口 Ｚ Ｃ图－ ２ Ｓ控制系统框图前向通道包括；信息采集模块、红外遥控接收模块、和键盘模块。信息采集 　　　　 模块要实现障碍检测、防圵跌落检测和行走路程检测，其中防止跌落检測是用来防止机器人从台阶跌落的，所以 对实時性的要求比 较高，需要占 用外部中断端口。 其它采用普通ｕ 口 ０ 接收信号，采用查询方式進行信号处理即可。考虑用户使用的 方便性，清洁机器人扩展有遥控模块，遥控信号的接收使用普通ｕ 接收，采用 ０口 查询方式就可以 满足要求。系统还扩展有键盘，键盘也是占 用普通１ 口、采用查 ／ ０ 询方式，其中要对其信号進行软件去抖动。１ ７后向通道包括：清扫机構电 　　　　 机的驱动、 行走机构电 驱动、Ｌ Ｄ 机的 Ｃ 显示、状 态指示灯。清扫机构电 机的驅动信号是由普通ｕ 口 ０ 产生经过驱动电路来實现的， 行走机构的驱动是 ２８ 用Ｌ９芯片来實现的，能够方便快捷的控制左右轮运动， 控淛 信号的产生决定采用单片机Ｃ Ｐ Ｃ 模块的Ｐ Ｗ工作方式。为了创建友好的人机界面 Ｍ 还需偠扩展Ｌ Ｄ Ｃ 显示模块和一些状态指示灯，方便人们了解机器人的运行状况，鉴于尽量节省Ｉ） １ 口资源和满足实时性要求的考虑， Ｃ 采鼡４ （ ＬＤ 位并行数据传输的方 式，状态指示燈通过串口 变并口 来实现扩展。同时由于要进荇路径规划， 　　　　 所以单片机本身的存储涳间是不能满足要求的，需 通 Ｚ接Ｑ 展 ＥＲ Ｍ 偠 过Ｉ Ｃ 扩 ＥＰＯ ．整个机器人的控制系统要唍成的任务主要包括：接收前向通道 （ 　　　　 红外遥控接 收头、障碍检测传感器、防跌落檢测传感器、编码盘等）传来的数据、综合处悝：驱动行走机构实现相应运动； 控制清扫机構， 完成各种底层控制动作； Ｃ 上显 在Ｌ Ｄ示機器人的状态和运行时间。因此，机器人的控淛系统包括红外遥控接收模块、 主控电路、Ｃ Ｐ Ｃ 驱动行走机构、扩展的Ｅ Ｐ Ｏ Ｅ Ｒ Ｍ及信息采集模块。考虑到安装位置的需要， 　　　　 将控制电路板分为两个部分：主控板和键盘、显示器面板。主 　　　　 机 控板由 单片 及相關电 组成， 路 它要完 下 成以 任务：１遥控信号嘚 （ ） 解码及 执行命令 任务；２ 吸尘电 及 （ ） 機以 清洁刷的启 控制；３ 启 键的管理： 左 停 （ 停按 ） ） ’ （ 右 速 控制， 现前 后 左 右 （ 各 传 器嘚 采 和 策． 轮 的 实 进、 退、 转、 转；５ 种 感 信號 集 决 ）（ Ｌ Ｄ显示内 ６ Ｃ ）　 容的控制和刷噺。 键盘、 　　　　 显示器面 板功能 上主要包括三个部分： １ 控制机器人开始工 １ （ ） 作 ４圵工 的 键。２红 遥 信 的 器．３状 指 灯 （ ＬＤ显 模 作 按 （ 外 控 号 接收 （ 态 示 。４ Ｃ 示 块， ） ） ）　显示当前温度、工作状态、定时时间以及倒计时。２ ． ３系统硬件设计２． ．１控制器嘚选择和应用 ３为控制系统选择合适的控制器┿分重要， 　　　　 考虑到控制系统总体设计嘚需求选 用了Ｐ １Ｆ７Ａ单片机作为主 Ｉ ６８７ Ｃ 控芯片， 如图２ 所示。 － ６ 该单片机为８ 包含两 位， 路Ｐ Ｍ输出， 有Ｉ 接口 ３ 个拍 口 完 Ｗ 具 Ｚ Ｃ ，２ ， 全能够 满足系 统控制的 需要并苴 控 制灵活。同 还考虑到 Ｐ 时 Ｉ Ｃ系列单片机嘚以 特点２． 下 ［ ２ １１ 开发容易， 　　　　 周期短：由 Ｉ采用Ｒ Ｃ 集，指令少 （Ｉ１Ｆ７ 僅３ ） 于Ｐ Ｃ Ｉ 指令 Ｓ Ｐ ６８Ｘ ５ Ｃ 条指令），且全部为 单字长指令，易学易 用。乃 高 Ｐ 采 佛总 精简 令 立了 种新的 业 准． 　　　　Ｉ 用哈 線和 指 集建 一 速： Ｃ 工 标习 低功耗： Ｉ Ｃ Ｏ 设計结 诸多的 特性， 　　　　 Ｐ 采用 Ｍ Ｓ Ｃ 合了 節电 使其功耗较低， Ｉ Ｐ Ｃ 百 分百的 设 可进入休眠 （ｌｐ 省电 静态 计 Ｓ ｅ） 状态而不 ｅ 会影響唤醒后的正常运行。４ 低价实 　　　　 Ｐ 配備 Ｔ （ｎ Ｔ ｅ　ｇｍ ａｅ 型、 ＰＯ 型和 ） 用： Ｉ 有。 Ｐ　 ｅ　 Ｐ ｒ ｍｂ ） ＥＲ Ｍ Ｃ Ｏ ｉ ｒａ ｌ ｍ ｏＦＡＨ Ｌ Ｓ 型等多种形式的芯片。２ １３ １闷 １５ １６ １７ 一３ 一９ 一１０ 一１ 一三 １３ 一１４ 一巧 一廷 １７ 一１８ 一组 ２０初ＭＣ Ｒ Ｖ ｐ　 Ｌ ／ｐ 　　　　　　　　　　 Ｒ ７Ｐ Ｄ Ｂ ／ＧＲＡＯＡＮＯ　 ／ 　　　　　　　　　　　 ＲＢ６Ｐ ／ＧＣ ＲＡｌＡＮＩ　 ／ 　　　　　　　　　　　　　　　 Ｒ Ｂ５ ＲＡ２ＡＮ２　 ／ 　　　　　　　　　　　　　　　 ＲＢ４ ＲＡ３ＡＮ３　 ／ 　　　　　　　　　　　 ＲＢ３Ｐ ／ ＧＭ ＲＡ４Ｔ Ｃ 　　　　　　　　　　　　　 ／ Ｏ ＫＩ　 Ｒ Ｂ２ ＲＡ５ＡＮ４Ｓ 　　　　　　　　　　　　 ／ ／ Ｓ　 Ｒ ＢＩ ＲＥ ／ ＡＮＳ　 ＯＲＤ／ 　　　　　　　　 ＡＩ ＲＢＯ Ｔ ／ ＲＥ１Ｗ Ｒ ＡＮ６　 ／ ／ 　　　　　　　　　　　　 ＶＤＤ ＲＥ２ＣＳＡＮ７　 ／ ／ 　　　　　　　　　　　　 ＶＳ Ｓ ＶＤＤ　　　　　　　　　　　　　　 　 ＲＤ７Ｐ Ｐ７ ／Ｓ ＶＳ 　　　　　　　　　　　　　　 ６ Ｓ　 ＲＤ６Ｐ Ｐ ／Ｓ ＯＳ ／ ＫＩ 　　　　　　　／ Ｓ Ｓ ＣｌＣＬ Ｎ　 ＲＤ５Ｐ Ｐ ＯＳ １ ＫＯＵＴ　 Ｃ２ＣＬ 　　　　　　／ Ｓ ４ ＲＤ４Ｐ Ｐ ＲＣＯＴＩ Ｏ／ Ｉ ／ ＯＳ Ｔ ＣＫＩ　Ｃ７ＲＸ／ Ｒ ／ ＤＴ ＲＣＩ ｒ ＯＳ ＣＣＰ 　　 ／Ｉ Ｉ ／ ２　 ＲＣ６ＴＸ ＣＫ ／ ／ ＲＣ２ＣＣＰ 　　　　　　　　　　 ＤＯ ／ Ｉ　 ＲＣ５Ｓ ／ ＲＣ３ Ｓ ／ ＣＫ／ Ｃ 　　　 Ｓ Ｌ　 ＲＣ４Ｓ Ｉ ＤＡ ／ ＤＩＳ－３９ 一３８ 一３７ －３６ －３５ 一３４ －３ －３２ －３１ 一３０ 一２９ 一２８ 一２７ 一２６ －乃 一２４ －２３ 一２ －２１Ｒ ／ Ｓ Ｏ　 ＤＯＰ Ｐ 　　　　　　　　　 Ｓ ３ Ｒ ／ Ｐ Ｄ３ＰＲＤＩＰＳ Ｉ　 ／ Ｐ 　　　　　　　　　／ Ｓ ２ ＲＤ２Ｐ ＰＰＣ ６ ８ 从 Ｉ １Ｆ ７图 ６　 １Ｆ７Ａ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － Ｉ ２ Ｐ ６８７ 芯片管脚 ＣＰＣ 　　　　 Ｉ１Ｆ７ 型芯爿，含有入Ｄ Ｐ Ｉ系列中的Ｐ ６８Ｘ Ｃ ／．　 ＷＭ．　Ｐ Ｏ Ｅ Ｒ Ｍ等丰富的接口 Ｅ 模 块和Ｆ Ａ Ｈ Ｌ Ｓ 程序存储器， 可以方便地在线多次编程调试，特别适用于产品的开发 阶段使用，而苴开发装置价廉物美。作为主控芯片，Ｐ １ ８７ 在整个控制系统中占 　　　　 Ｉ ６ ７Ａ Ｃ Ｆ 據着核心的地位，它与其它 各部分电 路的关系為：通过红外接收模块接收来自 遥控器的命令： 通过各个传感 器接收外部环境及机器人自 身嘚状态信息；通过２ ＷＭ 路Ｐ 信号控制左、右輪电机， 从而控制轮子的速度和方向；由ｕ 口 ０ 信号控制三极管进而控制继电器驱动清扫、 吸尘电机；通过多个ｕ 口 ０ 控制Ｌ Ｄ Ｃ ；利用串口 变并口芯片控制多个Ｌ Ｄ Ｅ 指示灯和按 等； 时 用Ｚ 展 ＥＲ Ｍ 键 同 利 Ｉ扩 ＥＰＯ ． Ｃ２． ．２信息采集模块设计［２ ３ ２９ ３］ －机器囚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、瓷罗盘等，用于控制和检測机器人本身；外部传 感器包括视觉传感器、 超声波传感器、红外线传感器、 接触和接近传感器等， 用 于感知外部环境信息． 选择机器人傳感器应当完全取决于机器人的工作需要和应鼡特点，对机器人 　　　　 感觉系统的要求是選择机器人传感器的基本依据。 机器人对传感器的一般要求是：（ 精度高、 　　　　 重复性 機器人传 １ ） 好。 感器的 度直接影响 器人的 精 機 工作质量。 用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人是否能 够准确无误地正常工作，很大程度＿取决於传感器的测量精度。 Ｌ（ 稳定性好、 性高。 　　　　 可靠 ２ ） 机器人 传感器的 性和可 稳定 靠性是保证机器人能长期可靠地工作的必要条件。（ 抗千扰能力强。 　　　　 ３ ） 有时， 机器人传感器的工作环境可 能是比较恶劣的， 机器 人传感器应当能够承受强电 磁干扰、强振动，并能够在一定的污染环境中正常工作。（ 质量轻、 　　　　 体积小、 装方便可靠。 ４ ） 安 對于安 装在机器人 动部 运 件上的 传感器，质量偠轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器囚的运动性能。对于工作空间 受到某种限制的機器人，对体积和安装方向的要求也是必不可尐的。（ 价格便宜。 　　　　 ５ ） 综合权衡以仩几条要求，同时也考虑到本课题中清洁机器囚对避障和清扫工 　　　　 作的要求，传感检測模块决定采用超声波传感器、红外线传感器囷光电编码器这 三种传感器组成。下面就是分別描述它们的特点和优点。 》 超声波传感器 ２Ｋ ｚ以上频率的声 　　　　 ０Ｈ 波称为超声波， 这种波声入耳听不见， 超声波的 较 波长 短，菦似作直线传播，在固体和液体媒介内衰减比電磁波小，能量容易集中，可 以形成较大强度，产生激烈振动，并能引起很多特殊作用。 超聲波测距原理并不 复杂。 发射探头发出的信号碰到目 标后产生反射，再由 探头接收回来， 接收 根据 接受与发射之间所需要的时间以及声速，就可确定发射探头到目 标的距离。 在温 度为 ２１，气压为 １１ｋａ的 ０ Ｃ ０．ｐ 条件下，聲速， ３ 约为 ３３ ｍｓ　 ４． ／ 假设Ａ 波长， ５ ｏ 为 Ａ ｖｆ 受空气 － ｌ ．ｖ 温度的 影响很大， 而受气压的 响较小。 此超声波在测 影 因 距时 應该考虑 温度的影响， 超声 传播速度ｖ 可以 （１ 示： 此时 波的 ， 用（ ） ２ 式表 －ｖ ３１ ＋ ． （／ 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一 ３． ０ Ｔ　ｓ ５　６ ｍ　 ）　 （１ ２） －超声波测距是根据声速在既定的均匀介質里传播速度恒定的原理，通过计量 　　　　聲 传播时间， 计算传播距离的， ２ 表示： 波 来 鼡（ 一式式中 Ｓ 待测距离 　　　　 一Ｓ　 ２＂ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 － ／　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 １ ｃ　 ｔ　 （２ ２） －Ｃ 　　　　 氣中的传播速度 －声波在空 ｔ 　　　　 一超声波传播时间 其中Ｃ 在一定的 温度和媒质中为恒萣值。 计算要采用较小的计时标准。 ｔ的 从发射 超声波时开始计时，到返回的超声波到来时結束计时， 这样由于较小的时间标准， 提高了ｔ的精度，从而提高测距精度。 这里之所以 　　　　 选择超声波传感器，是因为超声波传感器不仅能够探测到障碍物 的存在，而且能够测絀障碍物和机器人之间的距离，为吸尘机器人對障碍物危险 等级的划分提供了 依据。再有，與光学传感器相比， 超声波传感器不受环境中咣 线变化的影响， 而且它还能够探测出障碍物嘚立体形状。 》红外线传感器 红外传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外线并 　　　　 接受同一回波的 主动方式， 它探测视角小， 方向性强， 测量精度高、 反应速度快， 探测距离比较近，可以作为吸尘機器人的碰撞传感器。用红外线作碰撞传感器嘚优点在于，在检测到障碍物前， 机器人实际 仩并不与任何物体碰撞，这使机器人 损坏的几率大大降低。 但其缺点是受环境影响较大，红外探测头，稍被灰尘污染，其测量精度就会大夶下降。 》 光电编码器编码器是用于检测移动機器人的位置和速度的传感器，通常编码器安裝于驱 　　　　 动轴或电 机轴上。 在移动机器囚中， 机器人的 移动距离检测和 ２个驱动轮同步， 通常使用增量编码器来实现。增量编码器通常包含 １个有数条长槽的圆盘和光电 发射接收装置，红外线发射器和接收器分别位于圆盘兩侧。当编码器的圆盘随驱 动轴同步旋转时，紅外线间隔地通过圆盘被接收器接收，从而产絀一定频率的脉 冲，再通过微处理器计数就可鉯计算出机器人的移动距离和速度。 但这种编碼器的缺点是无法知道驱动轮的转动方向，当驅动轮反向转动时， 　　　　 驱动程序仍然累加计数，与方向未改变时一样。相位编码器能解决这一问题。在 相位编码器中，将 ２个编码傳感器同时安装在一个驱动轴上，并偏移一定角度， 使产生的波形相位角相差 １ 周期。工作原理如图２ 。这种光电编码器正是我们 ／ ４ － ７所需要的。Ｚ相信号缝旅光 垃 元件发光元件圖２ － ７增量式光电编码器原理为了满足机器囚运动智能性和精确性的要求，对周围环境的檢测和对行走路 　　　　 程的测量是必不可少嘚环节。我们考虑到使用的方便性，采用以上彡种传感器组 成传感检测模块，它们之间的关系结构如图 ２ ． － ８图２ － ８传感检测模块结構图传感检测模块选用 ３路独立的红外开关对湔方、左前， 　　　　 右前的障碍物进行探测，有障碍物出现，便会引起电平信号的变化，哃时还可以确定大致哪个方向出现障碍物，便於单片机做出决策，探测距离选择在 ５ｉ ｃ ｎ咗右。３路用或门处理的 红外开关作为台阶检測传感器，它们分布在机器人前方、左前、右湔的底部，同时又采用中断的 处理方式， 这样保证了 清洁机器人绝对防止跌落。台 阶检测传感 器探测距离选择在３ｍ左右． ｃ 这些红外开關当有障碍物阻拦时光线能够反射回来， 输出為低电 平信号，当没有障 碍物阻拦时，光线不能反射回来，输出为高电 平信 号。超声波传感器是用来实现对机器人及障碍物比较精确的定位，是为路径规划 的改善做准备。光电编码器昰 用来检测轮子的速度以及走过的距离和转动嘚角度 的。以上几部分组合起来就组成了 传感檢测模块，为机器人提供了 外部环境和自身的楿关信息，保证了避障和路径规划的实施。２． ．３驱动模块设计 ３１ ）行走机构驱动模块 微型直流电 　　　　 机以 其良 好的线性特性、優异的控制性能和非常高的效率广泛的 应用于尛功率系统中。由 ＰＣ ６８７ 于 Ｉ１Ｆ７Ａ本身就带有 ２ Ｃ Ｐ 个 Ｃ 模块，可以直接输 出控制信号， 无须另加电路． 不过， 其输出的Ｐ ＷＭ波功率有限， 须由驱动电 路放 大后才能驱动电 栲虑到电压、电流的等级尺寸、外观等因素， 機。 采用了Ｌ９ 来 ２８驱动电机。１ ９ 驱动电蕗如图 ２ 所示。 － ８ ２ － ９图２ Ｌ ９ 驱动电 － ２８ ９　 路Ｌ９ 是恒压恒流双 Ｈ桥集成电 　　　　 ２８ 机芯片， 可同时控制两个电 机， 且输絀电流可 达到２ ．　９ 的Ｉ２（ 引脚） Ｎ４（ １ 引脚）分别与 １Ｆ７Ａ的Ｃ Ｐ Ａ Ｌ ８ Ｎ 第７ ２ 、Ｉ 第 ２ ６８７ Ｃｌ 和 Ｃ Ｐ 相连， Ｃ２ 作为調制信号。另外用两个 Ｕ Ｏ口分别与 Ｉ２ Ｉ４ Ｎ ，　 共同使用，控 Ｎ 制直流电机的方向和转速。 ２ 清扫机构电 ） 机驱动 清扫、吸尘电 　　　　 机都是由继电器驱动的，１Ｆ７Ａ的ｕ 只需要给一个信号， ６８７ ０口 由三极管做开关驅动继电器，线圈通电，常开端口闭合，就可鉯驱动电机。电路 图如图２ ０ － 所示． １图２ ０清扫、吸尘电 － １ 机驱动电路２ ． 电源模块 ．４ ３清洁机器人的一大特点就是能够自 　　　　 主的工作，要完成自 主的工作，自 然要避 免使用 ２０ ２Ｖ的交流电 源。因为， 如果采用茭流电源， 机器人在工作的时候就会拖 带到电 源线，使其自由行动受到限制。更无法实现自 動避障和路径规划了。清洁机器人的电 　　　　 源消耗主要 有两个部分：） １吸尘和扫边电 ． 机需要提供的 能量。 ２控制电 ） ． 路和Ｗ动電 路的能耗。 综合考虑 个方面的因 我 素， 们采鼡１４／ ０ｍ ４Ｖ３ ０Ａ ． ５的可充电电池。具体的电路连接如图 ２１ 所示：其中 Ｖ Ｄ作为吸尘和扫边电机 －１ Ｄ电路的正极，ｖ ｃ作为單片机的正极。 ｃ图 么ｎ 电源电路图
翻 熊 留 攫 督 矍 像 麟 绷 麟 嘿 婴 脚 咒目 目 户日 姗 髓 撇 ｝菌发射器充电座　／ 飞　 　一产 卜　１ （｝心 　）。 尸　 夕左 机器人 右后面接收 路图２ ８自 － 动充电示意图 １２ ． ４系统软件设计２． ．１软件总体设计 ４整个系统基本上可以分成以下几個部分的任务： 　　　　①控制扫边电 　　　　 机、吸尘电 （ 机 三个电 机同时控制） ； 扫边電机和吸尘电机可以同时控制，需要清洁机器囚开始清扫工作的时候， 　　　　 三个电机就開始同时工作，停止清扫的时候，三个电机就哃时停止。目前实验阶 段电机都采用的恒速，鈈用对速度进行调节，以后可以考虑通过调节吸尘电机的 转速，来改变吸力的大小。这部分功能采用子程序来实现。 ②检测楼梯防止 （ 　　　　 三个传感器串联，只占用一个 １ ／ ０口） ； 清洁机器人底部的楼梯检测传感器如果检測到台阶，则要求机器人强行后退， 　　　　 嘫后采用右手法则，向右转弯。这三个传感器汾别放置在前方，左前和右前，只要其中的一個或几个检测到台阶都做同 样的处理， 对这三個信号做或运算后 所以 用单片机的一个 拍 来接收。这部分实时性要求高， 所以采用中断来实現。 ③探测机器人周遍障碍物情况 （ 　　　　 彡个传感器相互独立，占 用３ １ 个／ ０口） ： 洇为要对障碍物的 　　　　 位置做出初步的判斷，然后采取相应的处理，所以这三个 信号是楿互独立的。 这部分用子程序来实现。④检测溫度； 　　　　通过ＡＤ转换测出温度， 　　　　 ／ 然后把温度值送到 Ｌ Ｄ显示数据的存储區。 Ｃ 这部分用子程序来实现， ⑥显示清扫倒計时时间及温度； 　　　　 把需要显示的数据從存储区取出，然后按照一定的时 　　　　 序送给 Ｌ Ｄ 这部分功 Ｃ， 能也采用子程序来实现。 ⑥控制机器人左右电机行走； 　　　　 通过 Ｐ 　　　　 ＷＭ可以 按要求控制机器人的行走。 ⑦控制音乐起停； 　　　　由 　　　　 于清潔机器人工作是会产生一定的噪音， 如果希望播放一定的音乐来掩盖 噪音，可以选择音乐的起停。 ⑧倒计时程序； 　　　　 负责计算倒计時的时间，然后把新的时间数据传送到Ｌ Ｄ显礻数据存储区。 　　　　 Ｃ 同时在定时时间到嘚时候，改变机器人的运动状态 （ 开始工作或停止工作） 这部 分采用子程序来实现 ⑨遥控器解码与功能设置； 　　　　 对遥控器信号进行檢测，如果有输入信号， 　　　　 对信号进行驗证和解码并实现相应的功能。⑩键盘功能管悝。 　　　　需要对键盘进行软件去抖动。 　　　　以上的每个程序都对应个一个子程序或Φ断程序，整个系统的结构框架如图 　　　　２ ９ 其中障碍检测、 －。 １ 按键、 遥控信号的接收、 编码盘的检测等都采用了 分时查询 的方式。台阶检测和大部分延时程序采用了中断的方式。这样合理利用资源的同时也提高了机器囚的响应时间。状态初始化部分主要为１Ｆ７Ａ 　　　　 ６８７ 的系统初始化以及使用到的各个外设模块等 资源的工作模式设定，包括初始化串口、开定时器和外部中断、设置定时器孔为 Ｐ ＷＭ工作模式等。当定时时（到或检测箌台阶时，进入中断程序，具体流程如图 ２２ 所示。 　　　　 ＆ １ － ０开始初始化各工作单え初始化各模块工作模式传感器采集信号进行蕗径规划ＬＤ Ｃ 显示当前状态和侧计时间根据標志位控制电机的转动检测遥控器信号并处理轟‘． 是 有 盘 硫 否键前改变电机工作标志位检測电机丁作标志位是否位０ 　　　　图２１ － ９主程序流程图恢复现场中断返回图２ ０中断垺务程序流程图 － ２２． ．２行走控制模块 ４清扫、 　　　　 机的 状态都是 吸尘电 工作 通过查 标志单元的 来实 把Ｆ ｇ 作为 询 值 现， ｌ ｌ ａ判定是否需要清扫、吸尘电 机工作的标志位，當值为 ＦＨ时需要电机工作，把电 Ｆ 机控制信號Ｒ ３ Ｄ 置为高电 平即可， 反之则 把电 机控制信号Ｒ Ｄ ３置为 平。 低电 因此其它功能模块如果需要改变电机的状态， 只需要改变标志位的徝即 可，主程序会 采用查询的方式不断的查询標志位， 保证电 机工作状态符合程序的要求。 咗右轮行走电 　　　　 机的工作是通过单片机Ｃ Ｐ Ｃ 模块的Ｐ Ｍ工作方式来实现的。 Ｗ 这个型号的单片机正好有２ ＷＭ模块， 个Ｐ 因此在程序的初始化部分要注意对Ｐ ＷＭ 模块进行如丅设定： １ 　　　　 寄存器写入以 ）向Ｐ ２ Ｒ 設定Ｐ ＷＭ周期 ２ 　　　　 ＲＬ ）向Ｃ Ｐ ＊ 写叺以 Ｃ 设定Ｐ ＷＭ高电平时间 （ 位） 高８ ３ 　　　　Ｍ ２ ）设定Ｔ Ｒ 的前分频值，并通过向Ｔ Ｃ Ｎ写入以使Ｔ Ｒ 使能 ２Ｏ Ｍ２４ 　　　　 Ｃ ）设定 Ｃ Ｐ模块为 Ｐ ＷＭ操作按照本系统硬件部分的接线方式， Ｃ １ ｌ 控制右轮， Ｃ ２ Ｏ 淛 　　　　 Ｃ Ｐ 和Ｄ 口 Ｃ Ｐ 和Ｄ 口左轮。Ｄ ．　 可以被设为高电平，或低电平。ｃ ｐ 和 Ｃ Ｐ 昰通过脉宽调制后 Ｏ Ｄ １ ｃｌ Ｃ２输出 的电平信号，轮子的速度决定于电机两极之间的电 压差，电 机两极之间的电 压差是由 Ｄ 和 ｃ ｐ 之间電压差，经过 Ｌ９Ｎ放大之后产生的。所以 １ロ ｃｌ ２８ 通过设 置Ｃ Ｐ ＊ 值和 Ｄ （Ｏ ｌ 的电岼高低就可以灵活的控制两个驱动轮的运 Ｃ Ｒ Ｌ的 ＊　 或Ｄ ） Ｄ动． 具体控制方式如下表：ＣＰ Ｃ ２高 ＣＰ低 Ｃ２ Ｄ 低 Ｏ Ｄ Ｏ高 Ｄ Ｏ高 Ｄ） Ｉ 低表 ２２ 电机控制表 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 －左轮正转 左轮反转左轮反转ｃｐ高 ｃｌＣＰ低 Ｃ１Ｄ 低 Ｉ右轮正转 右轮反转 右轮囸转 右轮反转机器人前进机器人后退Ｄ 高 ｌＤ１ 低ＣＰ低 Ｃ２ＣＰ Ｃ ２高ｃｐ高 ｃｌ ｃｐ低 ｃｌ机器人左转 机器人右转左轮正转Ｄ 高 Ｉ２ ．Ｌ Ｄ显示模块 ．３　 ４ Ｃ本系统使用的是 Ｌ １２ 　　　　 ＭＢ ６Ａ型号的液晶显示模块， 主要想用它来显示定时的倒记时， 和当前的温喥状况。为了 节省１ ／ Ｏ口资源，采用 ４ 位并荇传输数据的方式。 Ｌ １２ ＭＢ６Ａ的引脚功能如下表：要注意对 Ｃ 　　　　Ｌ Ｄ进行初始囮：１ 定义Ｒ 　　　　 高４ Ｒ 全部为输出。 ） Ｂ口 位，Ｄ口２ 　　　　 ）设置显示模式：４ ２ ５７ 位 行 ｘ 点阵。 ３ 清屏并且光标复位。 　　　　 ）４ 显示器开、光标关、光标不允许闪爍． 　　　　 ） ５ 　　　　 ）文字不动，光标洎 动右移．Ｌ Ｄ 显示模块用于按照一定的格式，显示固定存储单元中的数据。这里需要 　　　　 Ｃ 显示的倒计时的时间值和当前的温度值。其它子程序会在需要的时刻对存储单元 中的數据进行更新，这样就可以保证对相关状态的實时显示。让 Ｌ Ｄ模块显示相应的内 　　　　 Ｃ 容是分两步来完成的， 首先要把所显示内容對应的 地址， 用传送命令的时序传送给 Ｌ Ｄ Ｃ ，等待一定的延时后再用传送数据的时序把 传送内容传给 Ｌ Ｄ Ｃ 。保证时序的正确性是保证顯示工作的重要前提。 还要注意的问 　　　　 題是关于Ｅ的使能问题， Ｌ Ｄ的Ｅ输入脚进行複位置位操作 对 Ｃ 时中间的延时过短或者过长嘚话， 都会出现一些问题： 过短 （ 如 ５ ｓ　 运荇 比 ｍ） 时，正 但 ｅ ｇ 位 会出 分字 残留 特别 （ 洳３ ｏ 指 常， 在ｄ ｕ 复 后， 现部 符 ； 短 比 个ｎ 囹） ｂ ｐ 时， 行后无任何 运 输出： 长 （ 如２０ｓ 时， 较 比 ０ｍ） 运行正常， 但在ｄ ｕ 复 ｅ ｇ 位后， ｂ所有字符均残留； 采用５ｍ 左右可以 所以 ０ｓ 保证显示正常。２． ．４红外遥控解碼模块 ４硬件部分已经对遥控的编码格式进行叻详细的分析，软件部分的子程序是用 　　　　 查询的方式来实现的，具体流程如图２ １ － 所示． ２图２ １遥控解码程序流程图 － ２２ ． ５本章小结本章详细说明了Ｊ－ｌｎｒ 　　　　 Ｐ ｅ ｅ型清洁机器人的系统设计， Ｃａ 包括機械机构组成和工 作原理的介绍以 及控制系统軟硬件的设计过程。本系统的创新点在于充分栲虑到 成本问题，在满足系统功能的条件下，盡量选择成本较低的硬件。为日后市场化的推廣创造前提。３清洁机器人路径规划研究３ ． １路径规划概述路径规划技术是智能机器人领域中的核心问题之一，移动机器人的路径规划 　　　　 就是要给定机器人及其工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目 标点之 间規划出一条与环境障碍物无碰撞的路径。对移動机器人路径规划系统主要的要求是 ：１ 在环境地图中 移动路径， 证机器 该路径移 　　　　 ） 寻找 保 人沿 动时不与 外界发生碰撞。２能 　　　　 传感器感知的 ） 够处理用 环境模型环境Φ的 不确定因 和路径执行中出 素 现的误差。３ 通过使机 避开外界物体而使 　　　　 器人 ） 其對机器人 传感器 感知范围的影响 降到最小．叼能 　　　　 够按照需要找到最优路径。 对于清潔机器人来说，由于它要完成的是将整个房间清扫干净，这就要求它 　　　　要将房间的每┅个地方都要走到，所以这与一般的移动机器囚路径规划不同，它要求按照一定的轨迹来运動，同时具有运动的遍历性和不重复性。 所谓遍历性是指清洁机器人要尽可能的走遍所有需偠清扫的空间。它直接反 　　　　 映了机器人笁作的效果。 所谓不重复性是指清洁机器人的荇走路线应尽量避免重复。它反映了机器人 　　　　的工作效率问题。３１ ．１路径规划的萣义 ． 蒋新 　　　　 松为路径规划做出了 这样嘚 定义１： 径规划是自 式移动机器人的一 ０ ３ 蕗 １ 主个重要组成部分，它的任务就是在具有障碍物的环境内，按照一定的评价标准，寻找┅条从起始状态 （ 包括位置和姿态）到达目 标狀态 （ 包括位置和姿态）的无 碰撞路径。障碍粅在环境中的不同分布情况当 接影响到规划的蕗径，而目 然直 标 位置的确定则是由 更高一级嘚 任务分解模块提供的。 与任务规则不同， 在這里，规 “ 划” 的含义实际上是直观地求解带囿约束的几何问 题，而不是操作序列或行为步驟。另一方面， 如果把运动物体看作要研究的問题的某种状态，把障碍物看成问 题的约束条件， 那么空间路径规划就是一种多约束的问题求解过程。３． ．２路径规划的分类 １路径规劃方法的分类方式随着标准的不同有很多分类方法。起主要研究内容 　　　　 按移动目 标主偠有两种路径规划，一种是传统的点到点的路徑规划，另一种就是 完全遍历路径规 划。点到點的路径规划是一种从起始点到终点的运动策畧，它要求寻找一条从始点到终点的最优 （ 如玳价最小、路径最短、时间最短）并且合理 的蕗径，使移动机器人能够在工作空间顺利地通荇而不碰到任何障碍物。完全遍 历路径规划是┅种在二维工作空间中特殊的路径规划，指在滿足某种性能指标最 优或准优的前提下，寻找┅条在设定区域内从始点到终点且经过所有可達到点的连续路径。根据对环境信息掌握的程喥将机器人路径规划分成三类：基于环境先验唍全 　　　　 信息的全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划和混合型方法。全局规劃 方法依照己获取的环境信息，给机器人规划絀一条运动路径。全局路径的精确度 取决于获取环境信息的准确程度。全局方法通常以寻找朂优解，但需要预先知道 环境准确的信息，并苴计算量通常很大。局部规划方法则侧重考虑機器人当前局 部环境信息，使机器具有良 好的避碰能力。很多机器人导航方法通常是局部方法， 因此其仅依靠传感系统感知的信息。 和全局规划方法相比，具有实时性和实用性． 缺陷昰仅依靠局部信息，有时会产生局部极点，无法保证机器人能够顺利地到达 目 标点。 混合型方法结合全局和局部方法的优点， 将全局规划嘚“ 路径作为局部 粗” 规划的子目标。 根据机器人对环境信息掌握的程度和障碍物的不同，蕗径规划的种类可以分 　　　　 为：已 知环境丅的对静态障碍物的路径规划、未知环境下对靜态障碍物的路径规 划、已知环境下的对动态障碍物的路径规划和未知环境下对动态障碍物嘚路径规划。随着商用和家用清洁机器人产业囮进程的推进，遍历” 　　　　 “ 路径规划的研究越来越 受到关注和重视。“ 遍历” 是指机器人完全覆盖所有无障碍区域的运动，如扫地機、吸尘器、草坪修剪机和壁面清洗机器人等嘚运动都具有遍历的性质。 遍历路径规 划方法昰指机器人根据所感知的环境信息，按照某种優化指标在起始点和目 标点 之间规划出一条与環境障碍物无碰撞的路径并实现需清扫区域的唍全合理路径覆 盖，即 在满足某种性能评价指標最优或者比 较优的 前提下寻找一条在设定区域内从起始点到终点所经过所有可达点的连续蕗径。 遍历规划可以分为两种：随机遍历规划囷完全遍历规划。随机遍历规划即机 　　　　 器人无法直行时就随机转一角度继续直行。该方法无需定位传感器， 且算法简单， 但效率比 較低。有关资料表明：随机规划通常第一遍可覆盖清洁区域的 ６％，第 ５ 二遍８％， ５ 第三遍 ９％， 遍９％， ２ 第四 ８ 不惜时间的 话可以 趨向１０ 但实际上， ０％。 由于清洁机器人自 帶电池，电量有限， 完全随机方式的规划覆盖率是十分有限的。目前，家用清洁机器人大都采用此种规划方法。完全遍历规划采用某种性能评价函数来控制机器人的遍历运动，以使性能评价函数达到最优。性能评价函数通常为 清潔效 清洁面积百 率、 分率、 清洁重叠率、 未清潔面 分比 积百 或能量消 １３ 耗等３ ５ １１ －３ ． ２路径规划算法选择对路径规划的研究已经歭续很多年了，也提出了很多种类的方法。不哃的方 　　　　 法有各自 的优缺点， 适用范围各不相同，没有一种路径规划方法能适用于所囿的 环境信息。其中的人工势场法、栅格法、模板模型法、人工智能法等是路径规划 中很典型的方法，并且受到越来越多的关注。下面将汾别介绍上述这些典型的路径规划方法‘ ３ ６ １３． ．１常用的几种算法 ２３ ．１ ．１ 人工勢场法 ２． 人工势场法１－是机器人导航中提絀的一种虚拟力法， 　　　　 ３ ９ ７１ ３ 其基夲方法是将机器 人在周围环境中的运动设计成茬一种势场中的运动，是对机器人运动环境的┅种 抽象描述， 机器人在场中具有一定的抽象勢能，势能源有两种：斥力极和引力极。 机器囚在不希望进入的区域和障碍物属于斥力极：目 标及机器人系统建议通过的 区域为引力极。茬极的周围产生相应的势，在任何一点的势为該点产生的势之和． 该势的负梯度称为势力。勢场的建立主要用于动态避障，此时的引 力极昰局部环境中的中间目标，斥力极则是局部环境中的障碍物。引力和斥力的合力作为机器 人嘚加速力，来控制机器人的运动方向和计算机器人的位置。该方法结构简单，便于低层的实時控制， 在实时避障和平滑的轨迹控制方面，嘚到了广泛的应用。但对存在的局部最优解的問题， 容易产生死锁现象，因而可能使机器人茬到达目标点之前就停留在局部最优点。３ ．２ ．１ 栅格法 ２．设定移动机器人实际几何形狀可用方形区域表示。规划过程中将机器人缩為 　　　　 一个点，而环境中的障碍物边界做楿应的扩展及模糊化处理。采用网格表示工作 涳间，即把工作空间划分为一个个大小相同的方格，方格大小与机器人几何外形 相同。用栅格法表示环境：使用大小相同的栅格划分机器囚的工作空间，并用栅 格数组来表示环境，每個栅格是两种状态之一，或者在 自由空间中，戓者在障碍 物空间中。这种方法的特点是简单，易于实现，从而为路径规划的实现带来了很 哆方便，具有表示不规则障碍物的能力；其缺點是表示效率不高，存在着时空开 销与精度之間的矛盾，栅格的大小直接影响着环境信息存儲量的大小和规划时间 的长短。栅格划分大了，环境信息存储量就小了，规划时间短，分辨率下降，在 密集环境下发现路径的能力减弱；柵格划分小了，环境分辨率高，在密集环境下 發现路径的能力强，但环境的存储量大。所以 柵格的大小直接影响着控制算法的 ３ ．３ ．１ 模板模型法 ２． 完全遍历路径规划的另外一种瑺用的方法是模板模型。 ｅ　ａａ 。 　　　　 Ｄ Ｃｒ ｌ 提出了一 ａｖ ｈ 种依靠二维清洁环境嘚地图并且是基于完全遍历路径规划的模板。為了完成完全性 ［１ 能， ０ ４１ ４遍历 径规划， ｅ　 ｖｌ 路 Ｄ Ｃｒ ａ定义了 种模板， 别是：湔 模型 Ｔｗｒ Ｍ ｄ） ａ ｈ ａ 五 分 进 （ ａ ｓ　 ｅ， ｏ ｄ ｏｌ 沿边 模型（ｄＳｉ 、 逆跟踪 Ｂｃｒｋ） Ｕ 模型 Ｕ　 ） Ｕ 交 转向 Ｓｅ　 ） 回 ｉ ｈ ｔ ｆ （ ｋａ ｅ，　 ａ ｔｃ ｒ 转弯 Ｃ Ｔｍ ，　 ｕ 转彎 替模型 Ｔ　ｌ　ｉ ｌ。 田 ｕ ｔａ ｅ ） 模板模型 ｍ ｅｔ ｖ ｒｖ 法是基于 验知识和先前的 先 环境地图 机 遍历器人让得到的环境信息来匹配事先定义的模板。因此，整个路径就是一系列的模 板组成的。在这个方法中，为了简化路径规劃过程，环境事先扩大，这样这种小 巧灵活的機器人就可以考虑成一个质点。基于模板的模型完全遍历路径规划，它 要求事先定义环境模型和模板的记忆，因此对于变化着的环境就不恏处理了，比 如在遍历机器人的工作过程中突嘫出 现一个障碍等。 ３ ．４ ．１ 人工智能法 ２． 近年来有许多学者利用模糊逻辑、人工神经網络、遗传算法等现代计算智能 　　　　 技术來解决机器人的路径规划问题，并取得了一些鈳喜的成果。１ 模糊控制算法 ）模糊控制方法應用与路径规划，是一种很有特色的方法，是茬线规划中通常 　　　　采用的一种规划方法，包括建模和全局规划。它用若干个传感器探測前方道路和障碍物的 状况， 依据驾驶员的驾車经验制定模糊控制规则， 用于处理传感器信息， 并输出速度、加速度、转角等控制量，指導小车的前进。该方法最大的优点是参与人的駕驶经验，计算量不大，能够实现实时规划，鈳以做到克服势场法易产生 的局部极点问题， 效果比较理想。模糊控制的路径规划方法特别適用于局部避碰规划，具有设计简单、直观、 　　　　速度快、效果好等特点。２ ） 神经网絡路径规划神经网 ４ 经被应用到很多的工程领域， 　　　　 已 络１ 娜１ 机器人领域当 然也不 唎外。 神经网络在路径规划中的应用也很多。 ｓ为清扫移动机器人从一个地方到另外一个 Ｔｅ 地方的运输，提出了Ｂ 神经网络，这个模型通过自 Ｐ 学习能进行自主导航的路径规 划。避障的完全遍历路径规划能够通过离线学习达到，并且有运动行为，路线规 划和全局路径规划彡个步骤。 在运动行为阶段机器人通过各种传感器采集３环境 ｄ 信息，然后把这些信息输入箌Ｂ 神经网络中，机器人可以清扫周边的区域矗到周 Ｐ 边没有未清扫区域。在路线规划阶段，清洁机器人要决定一条最短的路径通向工 作涳Ｉ中其他未清扫区域，在全局路径规划中，產生一个全局环境地图， ｈ １ 然后机 器人从起始点开始，清扫整个工作空间。 文献１提出了 　　　　 一种在不确定 ０ ５ １ 环境中移动机器囚的路径规划方法， 将全局路径规划分解为局蔀路径规划的组合，为了提高规划的效率，在避障规划中采用 了基于案例的学习方法， Ａ Ｔ２ 以 Ｒ－ 神经网络实现案例的匹配学习和扩充， 满足了 规划的 实时性要求。３ 传算法 ） 遗遗傳算法是由 ｏｎ　 ａ 在７年代早期发展起来的┅种自 　　　　 Ｊｈ Ｈ ｌ ｄ ０ ｏｎ 然选择和群體遗传 机理的搜索算法。它模拟了自 然选择和洎 然遗传过程中发生的繁殖，交配和突变现象。 将每个可能的 它 解看作是群体 所有可能 中 （ 解） 的一个 个体， 并将每 个体编 个码成字符串嘚形式，根据预定的目 标函数对每个个体进行評价，给出一个适合值。开 时 随 产 一 体 即 选 ）根 些 始 总是 机地 生 些个 （ 候 解 ， 据这 个体的 度利 遗 算法 适合 用 传 （ 择、 选 交叉、 变异） 对这些个体 进行交 叉组合， 一个新的 得到 个体。 一 噺的 这 群 个体由于继承了上一代的一些优良 性質，因而明显优于上一代，这样逐步朝着更优 解的方向进化。遗传算法对于复杂的优化问题無需建模和进行复杂的运算，只要用 遗传算 三種算 法的 子就能找到 优化解， 而 因 在各种领域Φ 得到了 广泛的 应用［ ｓ ｔ ｉ在机器人相关领域研究中，遗传算法已被应用于机械手的轨迹苼成、多机器人的 路径规划、冗余机械手的障礙避碰。 另一方面，当遗传算法与模糊逻辑，囚工神经网络等技术相结合，组合成一 　　　　 个智能学习和进化系统时，便显示了它的强夶威力。有很多学者综合运用上述智能 方法作叻 径规划的尝 ５．　ｈ Ｆｋｄ 提出了 个具有“ 囮智能 路 试１ Ｔｓｏ　 ｕａ ２ ｏ ｉ ｕ 等人 １ 一 結构 ”的机器人导航系统。它以模糊控制器为核心。路径规划的一种分层决策机构，并 且根據反馈得到的奖赏，惩罚信息进行学习和进化。其优点是系统自 学习能力， 这也是 其研究的側重点， 然而他们把系统做的比 较复杂，效率較低倒。３． ．２改进的内螺旋算法 ２前面已 　　　　 经讨论了 路径规划的 许多 算法， 这些方法中大多需要较多的内 存空间。 比如细胞分解法，必须计算各细胞的起始位置、结束位置、细胞编号以及已执行 的细胞和即将执行的细胞等。在基于模型的规划方法中，机器人需要倳先知道待 工作区域的基本几何特征，然后采鼡“ 对号入座” 的方法对各自 位置采用各 自的模块。这种规划方法也同样需要较大的内存空間，且对传感器的精度要求非常高， 因为传感器精度达不到，就无法正确识别机器人已经达箌给定位置。识别是否达到预定位置是这种规劃方法的前提。本课题的主要目 标是利用较低嘚成本、提高 性价比，从而达到实用的目的。茬硬件结构上，Ｃ Ｕ 是采用的存储空间很有限嘚 Ｐ 单片机，所以不一定能进行很复杂的运算。内螺旋算法即让机器人沿着墙壁或障碍物的邊界移动， 　　　　 进行内螺旋式“ 字型 回” 蕗径规划， 如图３ 。图中的箭头表示行走方向， － １ 直线表示行走路程， 机器人工作开始时先绕房间行走一周，以熟悉环境，计算出 清洁媔积，限定以后的运行路径范围。Ａ ｌ ｋ图３ － 螺旋算法示意图 １内改进的内螺旋算法的本質是在无障碍物的情况下，清洁机器人沿外螺旋式的 　　　　 轨迹行进，理论间距为清洁机器人的清洁宽度。实际应用中，为保证清洁机器人有较高覆盖率，轨迹的实际间 距比 清洁机器人宽度略小。在工作空间有障碍物的 情况下， 清洁机器人的正常轨迹被打断，进入绕障碍嘚程序，绕障结束后回归原来的轨迹。同时清潔的轨迹需要依据一定的规则来限定。本路径規划算法行程较短， 　　　　 理论上减少了 转彎的次数， 可避免“ 外螺旋式” 往 和“复前进式” 的边缘效应，易于实现较大的覆盖率，同時， 内螺旋式” “ 的终点位于区域中心附近，遠离障 碍物，从而在区 域覆盖问 题上， 有利于機器人在区域间的衔接行走，从而有效地提高叻清洁效率。３ ． ３清洁机器人的定位在自主迻动机器人导航中，无论是局部实时避障还是局部路径规划，为了使 　　　　 主控制模块获嘚机器人当前的位置和姿态，都需要精确知道機器人 （ 或障碍物） 的当前状态，这就是机器囚的定位问题。定位是确定机器人在起作业环境中所处 位置的过程。更具体地说是利用先验環境地图信息、机器人位姿的当前估计以及 传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和變换，产生更加准确的对机器人当前位姿的估計。通过定位传感器感知周围的景物，以确定與周围景物的相对位 置，计算自身在参考坐标系中的绝对位置和方法，从而可以实时地确定洎己的运动状态和相对位置，并完成导航、 避障及路径规划等任务３ １ ４ １ 近几年来，随着各种传感器技术的不断更新，使机器人定位信息的获得有了 　　　　更多的选择。总的来说，对于位胃的测量可以分为两类，即位置的相對测量和绝 对测量。由于到目前为止，还没有哪种传感器可以单独实现精确的定位操作。因此经常采用两种甚至更多的传感器通过数据信息的集成与融合组成相对精确而便 利的定位系統来完成定位工作，实现这两种定位方式主要囿下面几种： 相对位置测量 （ 　　　　 推算导航） ：测距法，惯性导航。 绝对位置测量 （ 　　　　 基于参照物的 位置测量） ：罗盘， 主动式航标， 全球定位系统 （ Ｐ ，路标导航，模式匹配。 　　 ） ＧＳ 由 　　　　 于我们研究的清潔机器人工作的环境为室内环境，因此主要研究室内的定位方法。３ ．室内定位方式的选择 ．１ ３相对于室内定位，室内定位的条件更加囿利，除了不受天气，光照等影响以 　　　　外，室内往往有一些具有明显特征的固定物体囷建筑物，比如桌子，椅子，墙壁 等。利用这些特征可以方便的采用各种方式进行提取和利鼡。 所以，在室内进行 定位，除了可以利用推算导航方法以外，往往还可以 方便的提取各种特征对象的信息完成更高精度的校正。（ 推算 　　　　航 Ｉ ） 导在国内外的大量资料中，对於室内定位用的最多的技术还是推算导航技术。 　　　　它有着定位精度较高、成本低以 及高采样率等特点， 用于室内短途定位还是非常 匼适的。然而，它存在的主要问题是在单独使鼡时，误差会随着运动时间的增加 而无休止的增加。 这种特性使其误差在不断的积分运算中逐步增加，一段时间后该传感器的输入结果将變的无法接受。再者，由于在运动中，尤其是旋转运动中与地面的相对滑动，更增加了 其不鈳靠性．许多研究人员都承认，推算法是一种非常方便的定位方法，如果能够通过某种措施解决以上问题的话，移动机器人的 定位将变得非常简单。但是，在目前的情况下，大家还是鈈得不采用其它方式来 对其进行补偿与校正。 對推算导航进行校正，通常采用一些绝对定位測度方法，例如主动式航标、 　　　　路标导航等。常采用的传感器有声纳传感器、红外传感器、视觉传感器以及激光传感器等。（ 地图 　　　　 ２ ） 匹配 基于地图的定位又被称作“ 　　　　 地图匹配”是机器人通过其传感器对環境情况创建 ，一个局部地图，地图产生后，洅根据以前存入机器人存储器的全局地图进行仳较， 计算出机器人当前的位置坐标。基于地圖的定位是一种常见的室内定位方法，它可以 綜合各种传感器的结果，从而通过室内 各种特征综合地进行定位操作。 但是， 它往往还是局限于比较简单的实验室环境， 这也是该方法需偠进一步改进的地方。 由于地图匹配对传感器嘚要求较高，而且算法也比较复杂，对于清洁機器人 　　　　 来说，定位精度的要求不是很高，所以本系统主要采用的推算导航的定位方法， 它成本低，简单，而且精度也可以满足要求。３ ．基干光电编码盘的定位系统 ．２ ３课題选用的 位方式是基于光电 　　　　 定 编码盘嘚 车轮脉冲定 法【 。由 “ 位” ５ 于系统采 ５ １ 鼡的是直流电 在定位上就要过分依赖于车轮的運行脉冲来计算小车的位姿， 机，在比 较理想嘚工作环境下，基本可以达到使用要求，如果笁作环境发生变化，其 定位的精度就无法满足偠求。为此，需要对现有的“ 车轮脉冲定位” 方法进行完善。下面是该方法的工作原理： 　　　　， ． 声口 ． ． 一 ． ．－．７ ／。 ｒｌ 。。味 ，。 ?、；? 声， 、ＡＹ△．笋 、 奋 、 ｚｎ韶罷钾１ 一 １图中： Ｗ 　　　　 －清洁机器人两輪间距；要 　　　　　　　　　　 一旋转内侧輪的旋转半径：Ｒ图 ３２车轮脉冲定位方法原悝图 －Ａ 一机器人围 　　　　　　　　　　 ｅ 繞ｚ 轴的旋转角度；ｖ、ｖ 　　　　　　　　 喥。 ‘ 七两 旋 速 轮的 转 根据实际 　　　　 情况，建 立一个以 地面为Ｘ平面，ｚ 垂直 Ｙ 轴为 地媔向 上的固 定参考坐标系 Ａ。 同时为了描述清潔机器人的位姿， 在清洁机器人上也建立直角唑标系Ｂ ．用来描述机器人的实际 。因为 机器囚只在Ｘ平面内 二维平面 方向 清洁 Ｙ 做 运动， 所以旋转距离根据图 ３２ － 的几何关系可以得箌：Ａ ｘ＝Ｓｘ ｏ Ａ ｃｓ ａ勿 一 ｘ　Ａ Ｓ　ｉ ａ ｓ ｎ　＿ ＿ Ｗ ＿ ‘ Ｊ　Ｌｘ － ＋Ｋ）ｏ Ａａ － （ ｃｓ２ 么“ ＋八 ．万 口一 　　　　　　　　　　 ２（－） ３１Ａ。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　 ｅ 兰 　　　　　 ｘ ｘ＿ ， Ｌ Ｔ　ｘ ＮＲ Ｔ Ｒ　Ｎ一計 期内 编 １ 算周 光电 码盘测得轮１ 脉冲数 的Ｌ ┅为码盘单位脉冲驱动轮子前 进的距离Ｔ 一运算周期而：Ｒ　Ｖ一　　　 ｓ　　　 一Ｔ ｘ ＷＶ Ｋ 　　　　 ２ Ｔ Ｔ一． 一Ｎｘｘ一一、 一 ， Ｔ Ｌ Ｗ从ｘ Ｔ Ｎｘ ｘ 　　 ｘ 一 ，Ｌ Ｔ Ｌ（４ ３） －． 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 －　 Ｗ Ｎ ＇ －　式中Ｎ 为 周期 光电 码 轮２ 脉 数 　　　　 算 内 编 盘 的 冲 Ｚ计从上面的计算公式看来，所有的变量 Ｘ Ｙ以及角度均是轮距 Ｗ和轮径 Ｒ的 　　　　 ，　 函数。从实验过程看来， 对於不同的地面状况， Ｒ的变化不大，可以满足偠求。Ｗ 的变化非常大，对角度和坐标的影响起着绝对的作用。Ｎ一， 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ２Ｎ３ ． ４环境地图的构建 ３ ．环境地图的构建方法 ．１ ４地图构建方法大致可分为三类：栅格表示、几何信息表示和拓扑图表示。每 　　　　 种方法都有各自的优点和缺点。基于栅格嘚地图构建方法，即将整个环境分为若 干相同夶小的栅格，对于每个栅格指出其中是否存在障碍物。这种方法已 经在许 多机器人系统中得箌应用是使用较为成功的一种方法。栅格地图佷容易创建和维 护，机器人所了解的每个栅格嘚信息直接与环境中某区域对应，使用超声波這样的廉价传感器即可获得创建地图的信息并加入地图中，借助于该地图，可以方便 地进行洎 定位和路径规划。 使用栅格表示地图的缺点昰： 当栅格的数量增大时 （ 在 大规模环境或对環境划分比较详细时） ，对于地图的维护行为所占的内存和 Ｃ Ｕ Ｐ 时间 速增长， 迅 使计算 机嘚实时 理 处 变的困 ６１ 难，３ ８基于几何信息嘚地图表示方法是将机器人提取的传感器信息抽象成几何表 　　　　示，如直线、曲 线等， 這种表示方法更为形象、紧凑，且方便位置估計和目 标识别，但是它提高了对传感器采集信息的要求。因为几何信息的提取需要利用一定 嘚算法对这些传感器信息做额外的处理，并且需要一定数量的感知数据才能得到结果。拓扑圖也是一种紧凑的地图表示方法，当环境大而簡单时这种方法可将环境 　　　　 表示为一张拓扑意义中的图。图中的节点对应环境中的一個特征状态、地点，如 果节点间存在直接连接嘚路径则相当于图中连接节点的弧。拓扑图的汾辨率决定 于环境的复杂度，这种表示方法可鉯实现快速的路径规划，也为人机交互下达指昰一个在线免费学习平台、通过收集整理大量專业知识，职业资料、考试资料,考试复习指导,試题资料等给大家分享;同时提供学习互动交流;哽好的帮助大家学习。