清扫机器人路径规划方法研究

清扫机器人路径规划方法研究

摘要：近年来,智能清扫机器人系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的

发展前景。现在的智能清扫机器人通过软硬件的合理设计，使其能够自动避开障

碍物，实现一般家居环境及特定户外环境的自主清扫工作。本文简单介绍了清扫

机器人基于无环境模型的路径规划的具体办法。

关键词：清扫机器人、无环境模型、路径规划

一、绪论

机器人的研究在日本和欧美的一些发达国家的研究相对比较深入，同时也取

得了很多显著的成果。国内关于清扫机器人的研究也取得了极大的进展。我国继

清华大学于1994年通过智能清扫机器人鉴定之后，陆续有中国科学院沈阳自动

化所研制了全方位移动式机器人视觉导航系统；2001年香港城市大学完整地研究了地面清扫机器人的导航、控制及整个硬件系统；2009年哈尔滨工业大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位地面清扫机器人。总而言之，清洁机

器人的研究正在快速发展，并且也越来越深入，但是还有需要完善和改进的地方，例如清洁机器人的避障问题，路径规划等等，所以针对清扫机器人进行一系列的

技术研究探讨是相当有意义的。

二、基于无环境模型的路径规划

清洁机器人的路径规划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条与环境障碍无碰撞的路径，并且实现所需

清扫区域的合理完全路径覆盖，同时实现封闭区域内机器人行走路径对工作区域

的最大覆盖率和最小重复率。目前全区域覆盖路径规划有两种，一种是无环境模

型的路径规划，另一种是基于环境模型的路径规划。本文主要着重介绍无环境规

划的整个过程。

无环境模型的路径规划不需要建立环境模型，有随机遍历路径规划和全区域

覆盖路径规划两种模式。机器人在清扫的时候比较自由，一般都是采用递进的方式，清扫完这个直线再偏移一段距离，掉头清扫另外一条直线，以达到全区域清扫，本文也着重介绍无环境模型的路径规划。基于无环境模型的依据边界的路径

规划方法

三、基于无环境模型的路径规划具体方法

（一）建立房间边界

首次在未知空间内行驶时，小车所能记录的信息为两种，一种是小车两个驱

动轮行驶路程L1与L2，另一种是各传感器被触发的状态。下图是小车在某转角

处的路线图，根据以上特点及为后续数据处理提供依据，我们可以建立如下规则。轨迹计算原理，数据处理规则。

(1)小车转角计算

若小车沿某一物体边缘转过θ角，则可以通过如下公式求算θ角

规定为行走时小车的拐角，规定连续经过多个拐角时，为各自拐角的和。

(2)小车行程的计算

小车行程的计算可以按照两驱动轮轨迹线的中心线即可代表小车行驶时的轨迹，小车行

车记录为：

(3)机器人沿着边界行驶

机器人选择任意一方向寻找边界，找到边界后，小车沿边界方向前进直到遇到拐角。行

进过程中根据传感器状态确定内外侧路径，确定完内外侧后，小车前进过程中所记录的拐角

的符号也便确定。

首次遇到拐角时，小车开始记录行进状态，首次记录时，只记录转角值，行进数值记录为0，记录的信息为小车在拐角处的转过θ及小车距离上一拐角处的路程L。

小车在每一拐角处均记录θ与S，并计算累积转角。如此记录便得到一个序列

当小车符合回到记录起点的判定条件时，则记录结束。当小车行走到第Pn+1点时，若累积转角

Θ等于2π，并且Pn+1与P1距离足够小时，我们认为Pn+1与记录初始点重合。这时所记录的有效数据点有n个。当小车回到记录起始点处，则记录的数据为

(4)边界描绘

方法：由绘制地图。此处我们引入一种计算直线方程的数学方法，设已知平面坐标系内有一条过的直线，其方程为，假设有这么一条直线，是直线以P点逆时针方向旋转θ角得来的，求的直线方程。

考虑斜率均存在的情况。设的斜率分别为。

代入，得，

所以的方程为

代入整理的

建立坐标系，我们选择初始记录的两点。

(5)计算路径S1方程及起始坐标

取小车在在记录点的数值，平面直角坐标系内的坐标分别为.所确定的直线方程为：

计算S2时，我们可以理解为S2所在的直线是由直线在在逆时针旋转角得出的，可以用开头引入的矩阵算法来处理。

根据先前的记录的数组，取，代入矩阵公式

得到的方程：，起点为前一线段的终点。

(6)计算点坐标

可以理解为点是在点基础上沿向量方向行走距离后所得到点，为此引入单位向量，设是第条直线段的单位向量，且方向由，第的坐标设为，则有

采用第五步中所述的方法即可计算出第条线段的方程：

起始点的坐标为：。当累积转角，且与起点重合时（受行进误差影像，实际上两坐标点是不可完全重合，在计算时，只要两点足够接近，我们便认为两点重合），机器人即完成一条封闭图线框的绘制，利用此方法不仅可以建立房间的边界，而且还可以建立障碍物的边界几何表达公式。

（二）路径规划方法

机器人在移动过程中遇到障碍物，首先根据事先创建好的房间边界几何公式，判断是否到达边界，如果没有到达边界，则视前方有障碍物，此时沿着障碍物走一圈，记录障碍物边界临时几何公式，然后继续按照原先的程序Ｓ型清扫，直到到达第一条边界L1的终点，绕开障碍物到达顶部边界L3的终点，然后继续Ｓ型清扫。

四、结论

清扫机器人能够自主地完成地面的清扫工作，目前已经得到非常广泛的应用。清扫机器人融合了多个学科的知识，具有很好的市场前景和研究价值。路径规划是清扫机器人关键的技术，也是实现高智能化、高效率的关键，论文主要阐述了对清扫机器人基于无环境模型的路径规划的具体办法。

参考文献

[1]章小兵,宋爱国.地面移动机器人的研究现状及发展趋势[J].机器人技术与应用,2005,21-23

[2]刘海,郭小勤,余得贵.清洁机器人全覆盖路径规划算法综述[J].机电产品开发与创新.2008(06)

[3]王磊,杨杰,许旻.全自主清扫机器人的运动分析与路径规划[J].机电一体化.2007(02)