【正文】 path planning technology in the domestic and foreign are introduced in the has introduced the ultrasonic ranging principle and discusses the superiority of ultrasonic ranging system to apply in the navigation. It has discussed the question with emphasis that the path planning of autonomous mobile robot based on ultrasonic ranging. In this thesis，a method called grid is used to carry on the environment model， and a kind of algorithm called along wall is used to plan the path. Finally it has analyzed the advantage and shorting of existing planning method，and forecasted the future development tendency and the research direction of the robot path planning technology.Key words: autonomous mobile robot 。對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，以及移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。導(dǎo)航技術(shù)是其研究核心，而路徑規(guī)劃又是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中最重要的任務(wù)之一。基于超聲波測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)中的一項(xiàng)重要研究課題。然后介紹了超聲波測(cè)距原理，討論了超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。 ultrasonic?？茖W(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”[1]。研究能夠在復(fù)雜環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)作業(yè)的智能自主移動(dòng)機(jī)器人勢(shì)在必行。自主式移動(dòng)機(jī)器人具有高度自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作?；诔暡y(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃正是機(jī)器人智能控制技術(shù)中的一項(xiàng)重要課題。理想的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具有以下能力：當(dāng)處于一個(gè)未知的、復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，并且在沒有人的干預(yù)下，通過感知環(huán)境，能夠到達(dá)期望的目的地，同時(shí)應(yīng)盡量減少時(shí)間或能量的消耗等。目前，國(guó)內(nèi)制造行業(yè)使用的移動(dòng)機(jī)器人大多還是基于這種導(dǎo)航方式。其他導(dǎo)航方式的機(jī)器人也在研究之中，如：清華大學(xué)已研制的三代THMR 移動(dòng)機(jī)器人，上海大學(xué)的“導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人”、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的“導(dǎo)游機(jī)器人”和正在開發(fā)的各種服務(wù)機(jī)器人。在一個(gè)智能系統(tǒng)中，使用單一的智能控制方法，往往不能取得滿意的效果。 當(dāng)然，在一些復(fù)雜的地理?xiàng)l件下，非視覺傳感器的探測(cè)范圍就不如視覺系統(tǒng)那么完整，目前對(duì)于一些高精度的導(dǎo)航還難以勝任，因而開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列以彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，以及提出新的融合方法來完善探測(cè)的結(jié)果，都將是重要的研究方向。目前，路徑規(guī)劃可以分為三種類型:一種是基于環(huán)境先驗(yàn)完全信息的路徑規(guī)；另一種是基于傳感器信息的不確定環(huán)境的路徑規(guī)劃；第三種是基于行為的路徑規(guī)劃方法?？梢晥D法(visibility graph)[6]是將機(jī)器人視為一點(diǎn)，把機(jī)器人、目標(biāo)點(diǎn)和多邊形障礙物的各個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行連接，要求機(jī)器人和障礙物各頂點(diǎn)之間，目標(biāo)點(diǎn)和障礙物各頂點(diǎn)之間以及各障礙物頂點(diǎn)與頂點(diǎn)之間的連線，都不能穿越障礙物，這樣就形成了一張圖，稱之為可視圖。CV 值越高，表征存在障礙物的可能性越高。拓?fù)浞╗8]是根據(jù)環(huán)境信息和運(yùn)動(dòng)物體的幾何特點(diǎn)，將組成空間劃分成若干具有拓?fù)涮卣饕恢碌淖杂煽臻g，然后根據(jù)彼此間的連通性建立拓?fù)渚W(wǎng)，從該網(wǎng)中搜索一條拓?fù)渎窂健?2) 基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃人工勢(shì)場(chǎng)法( artificial potential field) 最初由Khatib 提出[9]，這種方法由于它的簡(jiǎn)單性和優(yōu)美性而被廣泛采用。但是這種方法也存在著一些缺點(diǎn):如存在陷阱區(qū)，在相近的障礙物前不能發(fā)現(xiàn)路徑，在障礙物前產(chǎn)生振蕩以及在狹窄通道中擺動(dòng)等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[12通過引入虛擬障礙物使搜索過程跳出局部最優(yōu)的陷阱，但引入虛擬障礙物可能會(huì)產(chǎn)生新的局部極小點(diǎn)，同時(shí)也增加了算法的復(fù)雜度。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)行為的功能較簡(jiǎn)單，因此可以通過簡(jiǎn)單的傳感器及其快速信息處理過程獲得良好的運(yùn)行效果。 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要研究基于超聲波測(cè)距的自主移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)，重點(diǎn)進(jìn)行了以下工作：（1）概述自主移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，以及國(guó)內(nèi)外導(dǎo)航技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。采用柵格法進(jìn)行環(huán)境建模，運(yùn)用一種稱作沿邊走的算法來進(jìn)行路徑規(guī)劃。移動(dòng)機(jī)器人可以根據(jù)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)避障、導(dǎo)航和執(zhí)行特定的任務(wù)。從仿生學(xué)的角度來說，基于雙目視覺原理的立體視覺系統(tǒng)最接近生物體的視覺系統(tǒng)，但由于受到原理計(jì)算法的限制，測(cè)距精度和成象速度不能滿足要求。有源測(cè)距技術(shù)使用主動(dòng)傳感器替代被動(dòng)傳感器，它由于具有以下的兩大優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)時(shí)機(jī)器人領(lǐng)域顯示出誘人的魅力：（1）主動(dòng)傳感器不存在復(fù)雜的圖象匹配技術(shù)，不象立體視覺需要通過大量的計(jì)算獲取距離數(shù)據(jù)，因而實(shí)時(shí)性好，測(cè)距速度快。 有源測(cè)距技術(shù) 在有源測(cè)距技術(shù)中，常用的主動(dòng)傳感器主要有超聲波、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)三種。在移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身反射的超聲波反射信號(hào)，根據(jù)超聲波發(fā)出和回波接收時(shí)間差及傳播速度，計(jì)算出傳播距離，從而得到障礙無物到機(jī)器人的距離。確定合理的密度，以覆蓋要求的探測(cè)區(qū)域。角度分辨率高于超聲波和紅外傳感器，低于激光傳感器，距離分辨率略高于超聲波傳感器。一般很難進(jìn)行高精度測(cè)位。通過二維或三維的掃描激光束或光平面，激光測(cè)距雷達(dá)能夠以相對(duì)高的頻率提供大量準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)。 測(cè)距傳感器的選擇性分析在本課題中，自主移動(dòng)需要在實(shí)現(xiàn)避障和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，完成局部自主式移動(dòng)，因此它必須對(duì)其工作環(huán)境的狀態(tài)有一清楚的了解。因此，我們對(duì)于傳感器的選擇，也集中在測(cè)量距離這一參數(shù)上。鑒于以上種種優(yōu)點(diǎn)，使得超聲波傳感器在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。由渡越時(shí)間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器之間的距離。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器在機(jī)器人上的分布如圖22所示。其主要有三種測(cè)量方法：（1）相位檢測(cè)法相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限（2）聲波幅值檢測(cè)法聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響（3）渡越時(shí)間檢測(cè)法超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離：D = C T/ 2 （21）這就是渡越時(shí)間法測(cè)距機(jī)理。附錄中表2列出了幾種不同溫度下的聲速。采用AT89C52單片機(jī)，由單片機(jī)定時(shí)向發(fā)射機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。再根據(jù)公式（21）即可求得距離。環(huán)境信息的描述是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主式導(dǎo)航的算法基礎(chǔ)。這里僅介紹和使用柵格法來進(jìn)行環(huán)境建模。通過優(yōu)化算法在單元中搜索最優(yōu)路徑。不同的傳感器由于采集環(huán)境信息的方法不同，所獲得柵格形狀和精確度也不同。如圖 圖31環(huán)境地圖模型圖中，A點(diǎn)為機(jī)器人停放位置，機(jī)器人的工作位置可以通過坐標(biāo)（x，y）表示，設(shè)工作房間長(zhǎng)X，寬Y，則x為沿X方向坐標(biāo)，y為沿Y方向坐標(biāo)。 基于超聲波傳感器測(cè)距的柵格化方法如圖32所示，我們利用多對(duì)超聲波傳感器的角度掃描范圍，以及傳感器最大距離探測(cè)誤差為半徑分割整個(gè)平面，這樣，我們就得到一個(gè)被分割成許多柵格的平面。Ra為A探測(cè)到的最近障礙物的距離，Rb為B探測(cè)到的最近障礙物的距離?；騜最近的障礙物可能在1，2，3任意柵格中，也就是1，2，3中都有有存在障礙物的可能。這樣，我們就超聲波傳感器獲取的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為我們所需的柵格信息。因此超聲波傳感器采集信息的工作方式應(yīng)該是邊走邊掃描記錄。講述了利用柵格法進(jìn)行環(huán)境建模的建模過程以及基于超聲波傳感器測(cè)距的柵格化方法。（2）車載坐標(biāo)系由于自主式移動(dòng)機(jī)器人是在運(yùn)動(dòng)過程中，探測(cè)當(dāng)前環(huán)境的信息的。并定義為順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。這就是我們采用“沿邊走算法”的基本出發(fā)點(diǎn)。這就是說，沿邊走算法通常會(huì)分為兩個(gè)步驟來進(jìn)行，首先是沿著墻邊進(jìn)行有次序的掃描。清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃是根據(jù)所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域內(nèi)機(jī)器人行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)率。 沿邊走過程下面我們看一下，在“沿邊走算法”中的第一個(gè)步驟，我們稱之為沿邊走過程。(3) 機(jī)器人自身定位為了能夠提供機(jī)器人坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，機(jī)器人自身的坐標(biāo)是相當(dāng)重要的。另一方面，在沿邊走算法中，機(jī)器人每走完一圈就要將移動(dòng)時(shí)離墻壁的距離遞增，因此，我們需要對(duì)完成一圈的行走進(jìn)行判斷。因此，我們可以較好的處理機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)帶來的角度誤差。然而，當(dāng)我們面對(duì)非直線型障礙物時(shí)，會(huì)遇到什么樣的問題呢?在這里，我們就來討論一下。這樣就可以根據(jù)歷史角度微調(diào)的數(shù)據(jù)判斷是否遇到非線型的障礙物了，因?yàn)椋龅椒蔷€型的障礙物，機(jī)器人會(huì)不斷向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，然而，一般做微調(diào)時(shí)，主要是由于地面摩擦或偶然出現(xiàn)的因素造成的(因?yàn)樵诖酥?，機(jī)器人的移動(dòng)過程已經(jīng)被反饋糾正過了) ，這些因素的出現(xiàn)是隨機(jī)的，因此，機(jī)器人不可能始終向同一方向微調(diào)。在此過程中，我們將記錄下當(dāng)前掃描離墻邊的距離信息，然后，執(zhí)行繞動(dòng)過程，這一過程相當(dāng)簡(jiǎn)單，當(dāng)繞開障礙物后，只要保持與墻壁平行，并且恢復(fù)與墻邊的距離值即可。圖43 無障礙環(huán)境“回”字型路徑規(guī)劃流程圖（2）避障路徑規(guī)劃避障算法應(yīng)該滿足下列三個(gè)要求：實(shí)時(shí)性、應(yīng)用性和可靠性，即要求算法簡(jiǎn)單可行，在保證與障礙物不發(fā)生碰撞和安全的前提下移動(dòng)。行走前，機(jī)器人將搜索與其相鄰的四個(gè)方向，即上(x，y+Y/n)、下(x，y－Y/n)、左(x－X/m，y)、右(x+X/m，y)。針對(duì)超聲波測(cè)距比較適用于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，具體討論了移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境下采用沿邊走路徑規(guī)劃算法進(jìn)行地面清潔的行走和避障過程。 圖51 無障礙路徑規(guī)劃仿真結(jié)果圖52 回字型避障路徑規(guī)劃仿真結(jié)果 結(jié)果分析由圖51可知清潔機(jī)器人能夠沿內(nèi)螺旋式“回”字型路徑完成清掃任務(wù)，覆蓋率為100%，重復(fù)率為0%，工作過程中能夠避開邊界，自動(dòng)定位和轉(zhuǎn)向，清潔完畢機(jī)器人可以自動(dòng)返回到初始位置，若設(shè)定機(jī)器人速度為5m/min，可見該