清潔機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃研究

【摘要】：清潔機(jī)器人是自動化控制在人類現(xiàn)代生活中的體現(xiàn)之一,其融合了運(yùn)動控制技術(shù)、信息處理技術(shù)以及人工智能等多學(xué)科的知識。其關(guān)鍵技術(shù)包括傳感檢測技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、自動回充技術(shù)、電源技術(shù)等。其中,路徑規(guī)劃技術(shù)是清潔機(jī)器人實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵指標(biāo),同時也是清潔機(jī)器人研究的熱點問題。清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)要求是遍歷工作區(qū)域中除障礙物以外的所有區(qū)域。本文針對這一研究熱點,提出一種新的基于單元分解法的清潔機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃方法。清潔機(jī)器人進(jìn)行全覆蓋路徑規(guī)劃的前提是具有環(huán)境地圖創(chuàng)建以及自我定位的能力。在環(huán)境地圖創(chuàng)建方面,采用沿邊學(xué)習(xí)的方式,利用機(jī)器人本身的紅外傳感器以及碰撞開關(guān)獲取環(huán)境的輪廓信息,同時通過超聲波傳感器獲取環(huán)境中障礙物邊界的距離信息,然后劃分子區(qū)域并根據(jù)柵格法建立子區(qū)域地圖。機(jī)器人通過編碼器和陀螺儀傳感器的信息進(jìn)行自我定位,由于傳感器本身的測量誤差無法避免,因此針對清潔機(jī)器人系統(tǒng)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波對傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,獲得機(jī)清潔機(jī)器人運(yùn)動過程中的最優(yōu)位姿估計,通過仿真驗證了算法的有效性。清潔機(jī)器人完成了沿邊學(xué)習(xí)之后,得到劃分的子區(qū)域,采用迂回遍歷模板對子區(qū)域進(jìn)行覆蓋,并且根據(jù)能量時間最小原則確定其行走方向。論文提出的全覆蓋路徑規(guī)劃算法是基于沿邊學(xué)習(xí)—子區(qū)域劃分—子區(qū)域遍歷—沿邊學(xué)習(xí)的思想完成的。并且在對子區(qū)域進(jìn)行遍歷的過程中,清潔機(jī)器人通過傳感器檢測到的信息判斷由孤立障礙物之間形成的初步無法遍歷的子區(qū)域,并在初步遍歷結(jié)束后對其進(jìn)行補(bǔ)充遍歷。最終,完成工作區(qū)域的完全遍歷。本文在全覆蓋路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上,搭建了清潔機(jī)器人的實驗平臺,包括硬件和軟件的設(shè)計。清潔機(jī)器人運(yùn)動模型是兩輪差速驅(qū)動,前方由萬向輪輔助支撐以及轉(zhuǎn)向?？刂葡到y(tǒng)包括電源模塊、串口通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感信息采集模塊等。軟件設(shè)計包括電機(jī)驅(qū)動PWM波形產(chǎn)生、各傳感器信息采集以及全覆蓋路徑規(guī)劃算法。 【關(guān)鍵詞】：清潔機(jī)器人 傳感器數(shù)據(jù)融合 環(huán)境建模 單元分解法 全覆蓋路徑規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 課題研究的背景及意義9-10
• 1.2 清潔機(jī)器人研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 國外清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 國內(nèi)移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 清潔機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)14-15
• 1.3.1 傳感檢測技術(shù)14
• 1.3.2 全覆蓋路徑規(guī)劃技術(shù)14-15
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容15-17
• 2 清潔機(jī)器人的定位17-29
• 2.1 清潔機(jī)器人運(yùn)動模型17-19
• 2.2 環(huán)境坐標(biāo)系的建立19-20
• 2.3 清潔機(jī)器人傳感器分布20
• 2.4 編碼器模型20-22
• 2.5 陀螺儀傳感器模型22-23
• 2.6 多傳感器數(shù)據(jù)融合定位23-28
• 2.6.1 卡爾曼濾波原理23-24
• 2.6.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波模型24
• 2.6.3 擴(kuò)展卡爾曼濾波的定位過程24-27
• 2.6.4 清潔機(jī)器人定位過程仿真27-28
• 2.7 本章小結(jié)28-29
• 3 全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃29-47
• 3.1 全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃算法概述29-30
• 3.2 環(huán)境建模30-35
• 3.2.1 環(huán)境建模方法31-32
• 3.2.2 沿邊學(xué)習(xí)過程32-34
• 3.2.3 環(huán)境地圖生成34-35
• 3.3 基于單元分解的全區(qū)域覆蓋35-44
• 3.3.1 目標(biāo)區(qū)域的分解35-37
• 3.3.2 鄰接圖的連接37-38
• 3.3.3 各單元的遍歷38-44
• 3.4 環(huán)境地圖建模仿真44-45
• 3.5 本章小結(jié)45-47
• 4 清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計47-67
• 4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計47
• 4.2 硬件電路設(shè)計47-57
• 4.2.1 主控芯片49
• 4.2.2 電源模塊設(shè)計49-51
• 4.2.3 串口通信模塊設(shè)計51
• 4.2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計51-53
• 4.2.5 信息采集模塊設(shè)計53-57
• 4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計57-66
• 4.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境57-58
• 4.3.2 電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計58-59
• 4.3.3 編碼器程序設(shè)計59-60
• 4.3.4 超聲波測距程序設(shè)計60-61
• 4.3.5 陀螺儀模塊程序設(shè)計61-63
• 4.3.6 三軸加速度計程序設(shè)計63-65
• 4.3.7 清潔機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃算法的設(shè)計65-66
• 4.4 本章小結(jié)66-67
• 5 實驗及分析67-73
• 5.1 清掃機(jī)器人各模塊實驗67-69
• 5.1.1 超聲波傳感器實驗67
• 5.1.2 陀螺儀傳感器實驗67-68
• 5.1.3 三軸加速度傳感器實驗68-69
• 5.2 清潔機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃實驗69-71
• 5.3 本章小結(jié)71-73
• 6 總結(jié)和展望73-75
• 6.1 結(jié)論73
• 6.2 展望73-75
• 致謝75-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 附錄81
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄81
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄81

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