掃地機(jī)器人設(shè)計方案-文庫吧
2025-04-10 01:30 本頁面
【正文】 累進(jìn)。因此慣性傳感器不適于長時間的精確定位。智能掃地機(jī)器人的在室內(nèi)的運(yùn)動可以近似看做在地平面上的二維運(yùn)動，機(jī)器人的起始位置和所有時刻的位移如果已知，則可以通過起始位置上對每一個時間間隔的位移向量求和就可以計算機(jī)器人的位置，即機(jī)器人航跡推算定位的基本原理。針對智能掃地機(jī)器人而言，航跡推算是性價比最高的定位方法。無需外向型傳感器在造價上迎合了市場，而單次執(zhí)行打掃任務(wù)的持續(xù)時間一般不會超過一個小時，累進(jìn)誤差限定在一個可以接受的范圍。本文設(shè)計的智能掃地機(jī)器人定位系統(tǒng)采用航跡推算方法。與其他方案相比其優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：定位功能實現(xiàn)不需要借助外部傳感器，定位穩(wěn)定性不引入外界因素；理論上不存在定位盲區(qū)，適合清掃任務(wù)的復(fù)雜地形；累進(jìn)誤差是在時間上的累加，清掃任務(wù)每次時間不會超過45分鐘，誤差控制在可以接受的范圍內(nèi)；節(jié)省硬件成本，有利于控制產(chǎn)品價格或者增厚利潤。機(jī)器人路徑規(guī)劃是指根據(jù)已知條件和限定條件，規(guī)劃一條滿足任務(wù)要求的安全、有效、可行的路徑。具體到智能掃地機(jī)器人，已知條件是傳感器感知的外界參數(shù)，限制條件即室內(nèi)活動范圍，任務(wù)要求機(jī)器人以低重復(fù)率遍歷環(huán)境中全部非障礙區(qū)，滿足這種任務(wù)要求的路徑規(guī)劃也稱全覆蓋路徑規(guī)劃。覆蓋路徑規(guī)劃不僅在智能掃地機(jī)器人領(lǐng)域有所應(yīng)用，在油漆噴涂、操場除草、路面鋪瀝青、智能犁地甚至戰(zhàn)場排雷、海底探測諸多涉及“全覆蓋”概念的軍民技術(shù)都有重要意義。與路徑規(guī)劃概念相對的還有隨機(jī)路徑行進(jìn)，即指機(jī)器人以隨機(jī)嘗試的方式覆蓋空間，當(dāng)然效率和質(zhì)量不如規(guī)劃方法。隨機(jī)路徑和規(guī)劃路徑應(yīng)用場合區(qū)別在于是否對周圍環(huán)境已知，如果不能建立環(huán)境地圖，就無法進(jìn)行規(guī)劃，就只能采用隨機(jī)路徑。故而環(huán)境地圖建立也是路徑規(guī)劃的一個必要前提。雖然機(jī)器人路徑規(guī)劃已經(jīng)得到了多領(lǐng)域長時間的關(guān)注，但是至今智能掃地機(jī)器人仍沒有最佳的路徑規(guī)劃方案。這是由于智能掃地機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)決定的:環(huán)境的不確定性，即大部分區(qū)域為靜態(tài)，局部地區(qū)為動態(tài)。這樣要求機(jī)器人在規(guī)劃繞過障礙的前提下，還有自主避障的能力。目前關(guān)于智能掃地機(jī)器人的全覆蓋規(guī)劃方法多種多樣，各有優(yōu)劣，主要的方法可以分為:隨機(jī)覆蓋法、單元域分割法、模板匹配法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。隨機(jī)覆蓋法是目前中低檔智能掃地機(jī)器采用的主要邏輯。所謂隨機(jī)覆蓋法，并非是指機(jī)器人毫無章法的在地板上隨機(jī)移動，換言之在工程操作中“隨機(jī)”也是一個難以達(dá)到要求，隨機(jī)覆蓋法是指機(jī)器人根據(jù)簡單的移動邏輯，如三角形、五邊形軌跡嘗試性的覆蓋作業(yè)區(qū)，如果遇到障礙，則執(zhí)行對應(yīng)的轉(zhuǎn)向函數(shù)。這種方法是一種以時間換空間的低成本策略，如不計時間可以達(dá)100%覆蓋率。它無需了解整個作業(yè)區(qū)全貌，也不用依賴過多的傳感器，處理器運(yùn)算量也很小，是一種性價比很高的方案。但是，隨機(jī)覆蓋算法因為策略簡單，面對復(fù)雜地形經(jīng)常出現(xiàn)BUG，造成機(jī)器人陷入死區(qū)，即在某個區(qū)域來回打轉(zhuǎn)。單元域分割法顧名思義，即是將整個作業(yè)區(qū)根據(jù)尺寸和障礙物位置等地形特征分割為若干不重合的單元域，在每個單元域內(nèi)單獨(dú)執(zhí)行覆蓋規(guī)劃，最后按照最優(yōu)邏輯順序鏈接各個區(qū)塊的方法。分割策略是單元域分割法的第一個關(guān)鍵，最理想狀態(tài)即是所有障礙物均處在單元域的邊界，這樣在單元域的中心可以進(jìn)行高效的連續(xù)覆蓋。實際應(yīng)用中一般都以單獨(dú)房間或明顯具有封閉性的區(qū)域為一個單元域，單元域的尺寸過大或者過小都沒有意義。單元域法的第二關(guān)鍵即是各個單元域的鏈接。一個單元域完成覆蓋后，如果只有一個單元域相鄰，則以其為下一個覆蓋作業(yè)目標(biāo)，如果有多個單元域則按照一定邏輯判選下一單元，如沒有未覆蓋的單元域則返回上一單元域直至有未覆蓋的子單元域。這種方法針對一些多房間的場合效果最好，對于連續(xù)空間也可以提升運(yùn)算速度。本文設(shè)計的掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃方面采用隨機(jī)覆蓋法和單元區(qū)域分割法相結(jié)合的形式。 隨機(jī)覆蓋法是本機(jī)器人路徑規(guī)劃的方法之一，主要原因有如下諸點(diǎn):(1)隨機(jī)覆蓋法原理簡單易于實現(xiàn)。(2)不會對硬件和軟件上增加額外的負(fù)擔(dān)。(3)在定位失效的情況下，通過冗余的覆蓋依舊可以完成任務(wù)。(4)智能選擇隨機(jī)覆蓋法的基本移動邏輯可以實現(xiàn)適應(yīng)性更強(qiáng)的覆蓋法。單元區(qū)域分
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