移动机器人完全遍历路径规划算法研究

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并表示了谢意。
捧日 研究生签名：
期：型ｇ。幺ｊ
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ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．
２．Ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｅｒｃｅｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ，ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｍａｋｅ ｓｌⅡＢ ｔｈｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｅｓｃｆｉｈａ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔ，Ｑｕｅｓｔ Ｒｅｇｔｄａｔｉｏｎ，Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｃｏｖｅｒａｇｅ，Ｐａｔｈ Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ａｎｔ Ｃｏｌｏｎｙ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
Ｉｌ
东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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
研究生签名：翟肾导师签名：弓互墨主监二日期：，孑．４。厂
第一章绪论
第一章绪论
１．１移动机器人的发展史
社会的主体是人类，历史的推动者是人类，伟大的人类运用自己的智慧不断创造伟大的发明， 不断推动社会的发展。邓小平同志说过：“科技是第一生产力。”生产力是社会发展的动力，所以人 类推动社会发展就是要致力于发展生产力，致力于发展科技。人类不断发展生产力来提高自身认识 自然、改造自然、得到自己所需物质的能力，这种能力的进化由最初的运用双手、简单工具、发展 到运用畜力、发展到运用简单机器、发展到运用自动化设备、还会发展到我们无法想象的未来。
全方位移动式机器人视觉导航系统；国防科技大学的双足机器人；由南京理工大学，北京理工大学， 浙江大学等多所院校联合研究的军用室外移动机器人。此外国内还有北京航空航天大学，北京科技 大学，西北工业大学等院校也进行移动机器人的研究“ｊ。
１。２课题研究意义
移动机器人导航的研究包括定位、路径的规划、运动控制等。对于一台智能移动机器人来说， 要完成给定的任务应该能回答以下四个问题【３ｌ：
１）“我在哪里？” ２）“我去哪里？” ３）“怎么去？” ４）“做什么？” 撇开具体的任务而言，解决前三个问题正是要解决定位、路径规划、运动控制的问题。而其中 的定位是解决问题的基础，运动控制是解决问题的关键，路径规划是解决问题的核心。和定位相关 的内容包括探测地图、确定地图、更新地图、信息反馈等；路径规划就是在知道自身位置和目标位 置后，以最短距离、最低功耗、最短时间等为指标，根据地图实现确定从出发点到目的地的路径； 运动控制就是控制行走机构依据规划好的路径到达目的地，并在行走过程中应对突发事件等。 一般的路径规划就是选择一条在满足某些指标下的从一个点到另一个点的最优路径或者次优路 径１４Ｊ。有一种特殊的路径规划叫遍历路径规划，这种路径规划要在满足一定的指标下完成覆盖整个 指定的区域中的非障碍物区域，它的典型应用包括清洁机器人，割草机器人，排爆机器人等。这些 应用领域都有一定的相似性，那就是技术要求不高或者比较单一，体力繁重、工作环境恶劣或者危 险等。在这些领域中使用机器人可以比人实现更高的效率、更加的安全、更低的成本等优势。目前， 在一些发达国家已经实现将遍历路径规划的清洁机器人应用于家庭、办公室等场合，将探测机器人 应用于矿藏的探测等。遍历路径规划有非常广泛的应用范围，可以广泛运用于服务机器人和军用机 器人等领域。因此，遍历路径规划的研究具有深远的意义。
东南大学 硕士学位论文 移动机器人完全遍历路径规划算法研究 姓名：胡正聪 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张赤斌
20080403
摘要
移动机器人完全遍历路径规划算法研究
研究生：胡正聪 指导老Ｎ．－张赤斌副教授 （东南大学机械工程学院，南京）
随着人工智能、智能控制、仿生学等理论的发展，移动机器人技术的研究受到越来越多的学者 重视，移动机器人在生产、生活中也得到了更为广泛的应用。移动机器人的关键技术包括控制系统 结构和导航，其中导航的重点是路径的规划。完全遍历路径规划是一类特殊的路径规划，它在服务 等领域有着广泛的应用前景，如清洁机器人、自主吸尘器、智能割草机、自主收割机、排雷机器人 等都是它的典型应用，因此，移动机器人的完全Байду номын сангаас历路径规划受到研究者的广泛关注。
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｍａｋｅ
ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆｒｅｇｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎｔ ｃｏｌｏｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｍｐｏｓｅｄ．Ｗｅ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ
ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｇｏｔ ａ ｇｏｏｄ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆｔｈｅ糟舀ｏＩｌｓ ｔｈａｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｃｏｖｅｒ．
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｑｕｅｓｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｙ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｕｎｋｎｏｗｎ
ａｄａｐｔ ｔｏ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ＢＰ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏ ｆｕｓｉｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｅｒｃｅｉｖｅｄ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ
本文以室内清洁遍历移动机器人为研究对象，对移动机器人的定位、环境探测、环境建模方法 和完全遍历算法进行了系统的研究。在此基础上提出了几何方法描述的环境下漫游规则，并通过蚁 群算法对划分的区域完成完全遍历路径规划。本文主要完成的内容如下：
１． 对普适计算用的三点定位模型进行改造以适应于小型环境的两点定位方法，提高了定位系 统的效用和定位的计算效率。
Ｒｏｂｏｔ
Ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ Ｍａｓｔｅｒ：Ｈｕ Ｚｈｅｎｇ－ｃｏｎｇ
Ａｄｖｉｓｅｒ：Ａｓｓｍｅｌａｔｅ Ｐｒｏｆ．ＺＨＡＮＧ Ｃｈｉ－ｂｉｎ
（Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ）
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅｏｒｉａｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｌ＇ｏｌ，ｂｉｏｎｉｃｓ，ａｎｄ ｓｏ ｏｎ， ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｔｔｒａｃｔｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｓｏｈｏｔａｒｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｌｌｙ ｌｉｆｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ．Ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．Ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ（ＣＣＰＰ）ｉｓ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｋｉｎｄ ｏｆｐｍｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ． Ｉｔ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｕｃｈ∞ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖａｃｕｕｍ ｃｌｅａｎｅｒ，ｓｍａｒｔ ｍｏｗｅｒ，ａｎｄ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ，ｄｅｍｉｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ，ｏｔＣ．ｎｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ＣＣＰＰ ｏｆｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｔ＇ａ＇ａｃｔｓ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ
ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ．
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ＣＣＰＰ ｏｆｉｎｄｏｏｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｑｕｅｓｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄＣＣＰＰｏｆｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｈａｖｅｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．ＱｕｅｓｔｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｂａＳｅｄ ｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｎｄ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ＣＣＰＰ ｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎｔ ｃｏｌｏｎｙ
２． 建立了机器人的多传感器环境感知系统．结合定位系统给出确定障碍物位置的方法。对几 何环境中的各个特征分别进行了描述，提出了适用于几何环境地图的未知环境漫游规则和 环境区域划分方法．并通过ＢＰ神经网络对超声波采集的数据进行融合，确定区域内的障 碍物形状及位置。通过软件仿真证明这种环境的漫游规则及区域划分方法简单有效。提出 了应用几何算法的地图更新方法。
ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
３．Ｒｅｄｅｆｉｎｅｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｒｅｇｉｏｎｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｍａｔｒｉｘａｎｄｄｉｓｔａｎｃｅｍａｔｒｉｘｏｆｒｅｇｉｏｎｓｔｏ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ａ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｉｎ
３． 提出几何区域中各区域之间距离的定义。根据漫游得到的区域连通关系矩阵和距离矩阵， 模拟环境中各区域的完全连通图，提出基于蚁群算法的区域遍历顺序算法，并通过软件进行 了仿真，证明该算法的能得出遍历顺序的较优解。
关键字：移动机器人，漫游规则，完全遍历，路径规划，蚁群算法
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｂｏｕｔ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｃｏｖｅｒａｇｅ Ｐａｔｈ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ
机器人就是生产力发展的产物。机器人的概念最早是在１９２０年的科幻小说中提出的，而早期的 机器人如１９３９年美国纽约世界博览会上展出的西屋电气公司制造的家用机器人Ｅｌｅｋｔｒｏ和１９５６年美 国人乔治·德沃尔制造出的世界上第一台可编程的机器人都是一些实用价值不高的机器人，它们是现 代机器人的雏形。上世纪６０年代，由于传感器和计算机技术的发展及应用，兴起了全世界第二代机 器人的研究热潮，并向人工智能进发。１９６８年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人 Ｓｈａｋｅｙ。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木。Ｓｈａｋｅｙ可以算是世界第一台智能机 器人，它拉开了第三代机器人研发的序幕。到了上世纪８０年代，发达国家都组建各种机器人研究机 构，尤其是以美国为代表的国家将机器人的研究列入了军事发展计划，带动各国把机器人的研究推 上了高潮，日本和欧洲各国都成立了各自的机器人研究中心和规划了自己的研究计划。进入９０年代 后，机器人的应用领域除了工业和军事外，还涉及到了服务和娱乐领域，以日本本田公司的ＡＳＩＭＯ 人型机器人和索尼公司的ＡＩＢＯ娱乐机器人为代表的机器人展示了机器人领域各方面的先进研究成 果。在欧洲，２００２年丹麦ｉＲｏｂｏｔ公司推出了吸尘器机器人Ｒｏｏｍｂａ，它能避开障碍，自动设计行进 路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Ｒｏｏｍｂａ是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器 人。２００６年６月，微软公司推出ＭｉｃｒｏｓｏＲ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｓｔｕｄｉｏ，机器人模块化、平台统一化的趋势越来 截明显，比尔·盖茨预言：“家用机器人很快将席卷伞球。”
图１．１丹麦ｉＲｏｂｏｔ公司推出的吸尘机器人Ｒｏｏｍｂａ［
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东南大学硕士学位论文 我国的机器人研究是从八五期间开始的，起步比较晚，但发展比较迅速。国内移动机器人的研 究成果如下；清华大学的ＴＨＭＲ一ⅡｎＶ型机器人；中科院沈阳自动化所的ＡＧＶ自主车和防爆机器 人：香港城市大学的自主导航车及服务机器人：哈尔滨工业大学的导游机器人；中科院自动化所的
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｓｃｎｏｒ，ｍａｋｅ ｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｏｆｏｂｓｔａｃｌｅ ｉｎ
ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｗａｙ ｉｓ ｅｆｆｅｃｄｖｅ．Ｍａｋｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈａｔ ａｄａｐｔｓ ｔｏ ｒｅｎｅｗ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅ埘ｃ ｍａｐ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
１．Ｃｏｎｓｕｌｔ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ３一ｐｏｉｎｔ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｅｒｖａｓｉｖｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｔ ｔｏ ２－ｐｏｉｎｔ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｈａｔ ａｄａｐｔ ｔｏ ｓｍａｌｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ