本环节之一。
大多数的移动机器人的路径规划算法是按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。
然而,在机器人清扫应用领域中,却需要一种完全覆盖的路径算法,即创建一种在满足某种性能评价指标最优的前提下覆盖环境的表面区域的路径。
为了高效的实现覆盖,所以对目标空间的区域内的“遍历”要求具有最大覆盖率和最小重复率的特点。
目前路径规划的研究主要可以分为全局规划方法和局部规划方法两大类。
基于环境建模的全局路径规划的方法主要4上海大学硕{:学位论文有:可视图法(VisibilityGraph)t4】【5】、自由空间法(FreeSpaceApproach)、拓扑法〔61,神经网络法【7】【8】和栅格法(Grids)等。
下图是切线图法和Voronoi图法对可视图法进行了改造;而局部规划方法主要是人工势场法(ArtificialPotentialField),栅格法(Grids)、遗传算法(GeneticAlgorithm)和模糊逻辑算法(FuzzyLogicAlgorithm)等。
基于构形空间的自由空间法是将机器人和障碍物映射到构形空问,得到障碍区域和自由区域,然后在自由区域里寻找最佳路径;人工势场法{9】是由Khatib提出的一种虚拟力法它仿照物理学中电场的概念,人工势场法结构简单,便于低层的实时控制,广泛地用于实时避障和平滑的轨迹控制中,但人工势场法中不合理的势场方程定义会产生势场的局部最小值导致的陷阱区域,引起机器人路径移动不稳定使得机器人在未到达终点即停止运动。
为解决局部极小值问题,已经研究出一些改进算法,如Sato提出的Laplace势场法【…。
改进算法是通过数学上合理定义势场方程,来保证势场中不存在局部极值。
同时针对势场法的缺陷,由AlbertoElfes提出了新的快速避障方法即栅格法〔1l】,这种方法可以平滑不震荡和摆动的移动。
但是存在着环境分辨率的商低与环境信息存储量之间的矛盾。
因此,在实用上受到一定的限制。
可以采用改进的栅格法【12】弥补栅格法的不足。
而遗传算法【13l则是一种多点搜索算法,更可能搜索到全局最优解。
但遗传算法运算速度不快,进化众多的规划要占据较大的存储空间和运算时间。
基于实时传感信息的模糊逻辑算法是根据经验,通过查表得到规划信息,实现局部路径规划。
模糊逻辑算法可以用于竞赛环境下的路径规划。
构造c空间的方法主要有:单元分解法和可视图’法【”l等。
完全单元分解法中障碍物的边界用来生成单元的边界,单元的形状是不规则的,划分的单元完全准确地定义了自由空间。
Latombe提出的梯形细胞分解法用于机器人区域覆盖路径规划【l5】。
近似单元分解法将环境分成规则的单元,单元中若无障碍物即为自由单元,为了能更充分表示环境的信息,导致生成的图有很多的结点,路径规划就会变得复杂耗时。
HowieChoset等人在梯形细胞分解法基础上提出一种“来来回回”运动分解法(Boustrophedon)〔161,将环境分成从左到右的“切片”(Slice)细胞单元,利用细胞单元之间连接关系生成连通图,当机器人运动过程中,碰到障碍物多边形顶点时即认为进入另一个新的细胞单元,细胞单元是由障碍物和环境边界组成的子区域,机器人采用深度优先搜索法在运动过程中遍历每个单元。
由于这种方法要求环境中障碍物只能是凸多边形,所以应用受到了一定的局限。
5上海人学硕上学位论文1.3国内外研究现状下面如表所示对一些主要的产品和样机在自主能力、路径规划、环境适应性、工作效率等方面进行了介绍。
表l:智能清扫机器人特性对比图附:算法各有差异;1.3.1国外研究现状伊莱克斯“Trilobite”(“三叶虫”吸尘机器人)“三叶虫”吸尘机器人“Trilobitc”是瑞典家电厂商Electrolux经历12年之后推出的世界第一台具有完全自主能力的吸尘器。
它的设计源于巡航飞行器,自动汽车,灵感却蛰伏在远古深遽的海底,也是第一款投入批量生产的智能吸尘器。
“Trilobite”【17】启动后,超声波系统测量房间的尺寸,计算清扫所需时间,同时自行设计最佳路线。
但是必须在房问门口及楼梯口放置红外“虚拟墙”以6上海大学硕}学位论文保护吸尘器不会跌落楼梯或接近非清洁区域。
“Trilobite”的底部亦利用了独特设计的吸尘滚筒,以便于在地毯及电线问自由穿梭。
当电源耗尽时可自行充电,并凭借着内部数据的记忆功能,回到原处继续清扫。
当清扫工作完成后,可回到充电座自动关机。
当吸尘器的垃圾槽充满垃圾时会发出灯光警告。
此款清洁机器人有一个突出的智能化优点就是一遇水就自动停机,防止机器内部零件损坏。
图1.2“三叶虫”iRobot公司:Roomba及Scooba美国(iRobot)公司由MITAILab的设计者RodneyBrooks博士所创立,到目前为止已有RoombaRed、RoombaDiscovery、RoombaDiscoverySE、RoombaSchedule、Roombasage五个类型的产品。
2005年11月iRobot的最新一代扫地机器人Scooba开始上市。
重约6kg,Scooba真空吸尘机器人总结了前几代类似吸尘器的经验,增强了功能性,可处理不同的家务杂事不仅能拣起地板上的面包屑——擦洗瓷砖、地毯或者密封的硬木地板。
Scooba的一个清洗过程分4步来完成,真空吸尘、用水打湿、刮干擦净和自动烘干。
Scooba每次出场都会完成4项任务:打扫散落的碎屑,喷射专用的清洁液清洁地板,用刷子擦洗表面,使用橡胶扫帚吸收脏水。
与Roomba一样,Scooba工作场地周围存在各种障碍物,配备的预警传感器可防止从楼梯上跌落,它还有其他一些自我保护能力。
图1.4“Scooba”图1.5“VC-RP30W”7上海大学硕t学位论文Samsung吸尘机器人VC-RP30W三星公司开发的吸尘机器人VC.RP30W具备了3维地图功能,自动充电,内置摄像头,离子过滤器。
采用最新的3D地图映射技术来确定自己的位置,不像别的智能吸尘机器人使用随机打扫程序来进行打扫。
通过安装在房间天花板上的视觉系统,Samsung的机器人能知道哪些地方需要打扫,因而更加智能化,使用者可以根据自身的作息时『白J来预先设定机器人的工作时间。
这样,在家里没人的时候,机器人可以被设定开始自动清扫干净房屋。
日立的Robovac日立2003年5月发布的这个机器人为业界最小,直径25crn,高13cm,速度最快为40cm/秒,打扫时间为10m2的房间约需10分钟(障碍物设想为3个)。
可利用遥控器或机身按钮进行操作。
能够跨越1.5cm左右的台阶。
机身下部特殊设计了一个最大可自动伸出5cm左右的“可动吸尘口”。
便于清洁墙角等位置。
清扫开始后,机器人先进行环境学习,在房问里转一圈,计算出打扫的面积;然后采用螺旋式的行走方式。
一边转着小圈,一边躲避障碍物,直到把房间的角落都打扫干净。
清洁机器人打扫完毕后,会自动进入“充电兼垃圾回收站”,在这里进行充电,以及倾倒收集的垃圾。
图1.6“Robovac”及其垃圾回收站图1.7“ICLEBO”图1.8松下上海人学硕士学位论文图1.9“普邦精锐”图2.0“V-R
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