關(guān)于實現(xiàn)掃地機器人優(yōu)化路徑算法

陸檉堂　林桂鋒　林位龍　黃程懷　孫寶福

摘 要 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，人工智能的大趨勢即將到來，掃地機器人作為當(dāng)代智能型家居電器，它的應(yīng)用也越來越多。本文主要針對了基于單片機AT89C52RC的掃地機器人的清掃路徑設(shè)計以及算法，通過對機器人行走中碰撞的記錄以及障礙物的位置進(jìn)行定位，大致的把室內(nèi)地圖描繪出來儲存在存儲器中，進(jìn)而實現(xiàn)掃地機器人的掃地路徑優(yōu)化，擇優(yōu)選擇最佳清掃路徑，盡可能的消除掃地機器人清掃盲區(qū)，提高掃地機器人的一次清掃率，降低重復(fù)率。

關(guān)鍵詞 掃地機器人 單片機 路徑規(guī)劃

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.032

On Optimizing Path Algorithm of Sweeper Robot

LU Chengtang， LIN Guifeng， LIN Weilong， HUANG Chenghuai， SUN Baofu

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract With the development and progress of technology， the trend of artificial intelligence is about to come. As a modern intelligent home appliance， sweeping robot has more and more applications. This paper aims at the cleaning path design and algorithm of sweeping robot based on SCM AT89C52RC. By locating the collision records and the position of obstacles in walking robot， the indoor map is depicted and stored in memory.

Keywords sweeping robot； single chip microcomputer； path planning

1 前言

1.1 問題的提出

掃地機器人，又稱自動打掃機、智能吸塵等，如今已成為廣大家庭需要的智能家用電器，一般采用刷掃和真空的方式進(jìn)行打掃，一般是通過紅外、超聲波等傳感器進(jìn)行探測。而如今市場上許多的掃地機器人的清掃路徑存在著許多的缺點：當(dāng)感應(yīng)到前方存在著障礙物時，就會進(jìn)行左或右的轉(zhuǎn)向，通常會使得掃地機器人反復(fù)清掃同一個地方，而其他的區(qū)域卻清掃不到，這樣的清掃方式費時且效率低，所以如今迫切需要解決掃地機器人的清掃路徑的優(yōu)化。

1.2 研究的背景

進(jìn)入21世紀(jì)以來，智能機器人的技術(shù)得到了全面的發(fā)展。掃地機器人最早起于歐美，國內(nèi)相較于歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)而言，對掃地機器人的研究起步較晚。2004年，重慶大學(xué)智能科學(xué)技術(shù)研究室與寧波波郎電器股份有限公司合作開發(fā)室內(nèi)清潔機器人，最新開發(fā)的BL001能根據(jù)前端左右兩側(cè)的紅外傳感器探測墻壁，沿墻壁行走清掃地面?，F(xiàn)如今市面上，國產(chǎn)品牌的掃地機器人如浦桑尼克藍(lán)天S、科沃斯DT85G、?，斕豘J-C1等很受歡迎。但是基于紅外傳感器與超聲波傳感器的掃地機器人測量精度較為低，而且干擾比較大，導(dǎo)致掃地機器人出現(xiàn)路徑混亂等情況。

2 技術(shù)概述

2.1 單片機技術(shù)概述

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。

本文中采用的是比較成熟而且價格相對低廉的AT89C52RC單片機，此單片機編程較為簡單，比起STM32系列有著十分大的優(yōu)勢。圖1為單片機AT89C52RC的管腳圖。

2.2 傳感器技術(shù)

掃地機器人避障時首先需要對障礙物進(jìn)行檢測，而后將檢測到的訊息傳送到微機系統(tǒng)中進(jìn)行處理，再然后輸出信號給控制器，控制器才能夠知道控制量，執(zhí)行微機系統(tǒng)傳來的命令，從而改變掃地機器人的運動位姿。本文中同時采用紅外傳感器與超聲波傳感器。這兩個種類的傳感器造價便宜，易于應(yīng)用，結(jié)合使用它們并且合理分配好其位置分布能夠較為精確測出障礙物位置。

3 路徑及其算法設(shè)計

基于STC89C52RC的掃地機器人路徑規(guī)劃算法如下：

首先利用光電編碼器作為掃地機器人的傳感器，該傳感器用于記錄碰撞（驅(qū)動輪一旦發(fā)生堵轉(zhuǎn)既認(rèn)為發(fā)生碰撞）和行走距離的數(shù)據(jù)，遇到障礙物時驅(qū)動輪堵轉(zhuǎn)，將障礙物的地址存放在[x，y]數(shù)組中。

機器人從靠墻的一面開始（圖2），進(jìn)行第一次左（右）轉(zhuǎn)彎前進(jìn)試探，掃地機器人在碰到障礙（假如左側(cè)）時相反方向一側(cè)（右側(cè)）旋轉(zhuǎn)90度前進(jìn)一段距離A繞開障礙物，并向每前行走一小段吸塵器口徑的距離（b）后，此時總右行距離為（A+nb），向另一側(cè)（左側(cè)）旋轉(zhuǎn)90度試探，如果機器人沒有碰到障礙物，則繼續(xù)向左行進(jìn)（A+nb）后轉(zhuǎn)向繼續(xù)前行清掃工作，障礙物的尺寸較小，此時掃地機器人可以避開繼續(xù)向前行走，并且在此處記錄一個清掃盲區(qū)。如果障礙物的尺寸大于吸塵器的口徑，此時掃地機器人無法通過，則向同一側(cè)（左/右）旋轉(zhuǎn)90度，形成回頭清掃的方式，記錄這次清掃的距離記為y。

重復(fù)以上的清掃方法，將每一次清掃的距離都記為y，比較每一次清掃的距離y得出最大的清掃距離。對比障礙物的地址可以得到每次未清掃盲區(qū)，對盲區(qū)進(jìn)行試探、清掃。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于掃地機器人傳感器技術(shù)與單片機技術(shù)的結(jié)合，通過傳感器與碰撞來確定機器人所在位置以及需要做出得命令，與一般的掃地機器人相比，該模型能夠通過記錄行走距離與碰撞次數(shù)還有傳感器掃描結(jié)合，生成較為準(zhǔn)確的室內(nèi)地圖，從而選擇最優(yōu)路徑進(jìn)來清掃，提高掃地機器人的效率與覆蓋率。

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