清洁机器人论文关于清洁生产的论文

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清洁机器人全覆盖算法的研究

摘要：本文针对自主清洁机器人提出基于网格地图表示方法的内螺旋覆盖算法，完全覆盖所有区域，同时该算法不用进行复杂的数学计算。最后利用Matlab7.1进行了仿真，实现结果表明该算法具有很好的实用性。

关键词：清洁机器人；内螺旋覆盖；全覆盖

1研究背景与内容

清洁机器人作为服务机器人可用于危险的场所来代替人类工作，具有极为广泛的应用前景。目前如伊莱克斯、日立等世界著名公司都已开发出智能清洁机器人[1]。本研究主要根据自主清洁机器人的特点提出避障方法，并且对全区域覆盖算法进行了研究。

2全覆盖算法

2.1 全覆盖路径规划

本研究采用基于环境地图的遍历路径规划，即机器人首先通过其自身传感器对未知清扫环境进行扫描，建立起地图并存储，随后机器人根据己建立环境地图进行遍历清扫及避障[2]。

2.2 内螺旋覆盖算法

在覆盖的过程中，首先采取从边界的某一初始点出发，进行沿边界探索，同时生成内侧点为下一轮可覆盖点，在边界探索完毕之后，沿着上一轮生成的内侧点进行覆盖，同时又生成新的下一轮的可覆盖点，本文称这样的覆盖算法叫做内螺旋覆盖算法。

2.3 环境地图的表示-网格地图

本文采用网格法来建立网格地图，采用二维矩形网格表示环境[3]。设环境的最大长度为L,宽度为W，清扫机器人的大小设为B×B。每个矩形网格有一个CellValue值。CellValue值表示单元网格的状态标记值如下：

CellValue[i][j] =0: 表明网格为可以通过的标记值

=10: 表明网格为不可以通过的标记值

=20: 表明网格为已经走过的标记值

=25: 表明网格为房间单信道的标记值

=30: 表明网格为下一轮待覆盖的标记值

本研究采用了3个环境类型：空房间、简单房间（有一定障碍物）、复杂房间（多房间且内部有密集障碍）。

3算法实现及其描述

3.1 定义概念

定义1：以机器人的当前运动方向为参照，从机器人的前方向左转90°所代表的方向为内侧方向，位于内侧方向上的网格称为内侧网格。

定义2：如果一个内侧网格满足和机器人当前所在网格相邻，并且两个网格的几何中心点连线和机器人正前方向成90°夹角，则称该网格为正内侧相邻网格。

定义3：如果欲将某网格赋值为30时该网格已被赋值为20或30，且机器人前后都有尚未被覆盖的网格（值为30），则称该网格为GATE 网格[4]。

3.2 边界探索子算法

Step1：初始化坐标原点。

Step2：设置初始点以及初始点的正内侧相邻网格K。

Step3：保持右侧贴着边界前进。如果前端碰到障碍物则跳转到Step4，否则跳转到Step5；

Step4：机器人后退同时向左旋转九十度，跳转到Step3；

Step5：根据当前方向和位置，调用相应函数同时设置其当前方向内侧的网格为下一轮可走的网格。判断里程计当前的位置所处网格的前一个网格是否是网格K。如不是跳转到Step3；如是则运动到初始网格，跳转到Step6。

Step 6：保存边界探索阶段信息，同时结束边界探索。

3.3 在线覆盖子算法

Step1：执行边界探索。

Step2：如果边界探索结束则跳转到Step3；否则跳转到Step2。

Step3：沿着规划好的值为30的路径覆盖。并根据机器人运动策略生成新一轮的值为30的内侧相邻网格。同时检测如有值为30的网格则跳转到Step4；如没有，则考察是否有值为25的网格，如有，则跳转到Step10，如果没有，则跳转到Step11。

Step4：如果前进方向遇到障碍物则跳转到

Step5；否则跳转到Step3。

Step5：右侧沿障碍物绕行。

Step6：如果前方出现规划好的路径则跳转到Step7，否则跳转到Step5。

Step7：继续覆盖。

Step8：如果当前所在网格周围有路径则跳转到Step3；否则跳转到Step9。

Step9：如果房间环境有GATE网格则跳转到Step10；否则跳转到Step11。

Step10：回到GATE网格继续覆盖，跳转到Step3。

Step11：结束算法。

4 仿真结果

4.1 区域边界探索

根据算法机器人应先对区域边界进行探索，如图4.1，以圆形代表机器人路径，方形代表障碍，可以看出，机器人有效地确定了区域边界。

4.2 区域全覆盖

当机器人确定了区域边界后，机器人将建立自己的坐标系，在此坐标系中依据避障规则和行走规则行进，并最终完成全区域覆盖。

5 结论

从结果可以看出均实现了全区域覆盖，特别是符合实际家庭居室情况的区域3，因此本研究之算法完全解决了多层房间嵌套等复杂情况的全区域覆盖问题。

参考文献

[1]李磊等，移动机器人技术现状与未来．机器人．2002(5)：475-480．

[2]Yu Liu，Shiqiang Zhu，Sensory Navigation of Autonomous Cleaning Robots Proceedings of the 5"World Congress on Intelligent Control and Automation Hangzhou June 15-19，2004．

[3]李琳，吸尘机器人控制系统与路径规划的设计与研究：[硕士学位论文]．哈尔滨工程大学．2005．

[4]Oh JS, Choi YH, Park JB and Zheng YF, "Complete coverage navigation of cleaning robots using triangular-cell-based map．"． (2004). IEEE Transactions on Industrial Electronics. Volume: 51. Issue: 3. pp: 718-716．