基于柵格地圖的環(huán)境建模在清掃機(jī)器人路徑規(guī)劃中的應(yīng)用

周欣沅 張玲 馬永帥

【摘 ?要】論文采用柵格法建立環(huán)境地圖模型，利用沿邊走的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行室內(nèi)清潔機(jī)器人無障礙與避障路徑規(guī)劃仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，在靜態(tài)環(huán)境中，掃地機(jī)器人可以根據(jù)內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃方法完成清掃任務(wù)，面積覆蓋率高，重復(fù)率低，且能成功避開所設(shè)置的障礙物和邊界，進(jìn)行自動(dòng)定位和轉(zhuǎn)向。該方法與隨機(jī)式路徑規(guī)劃方法相比效果很好。

【Abstract】The paper uses the grid method to establish the environment map model， and uses the side-walking path planning algorithm to carry out the simulation test of the obstacle-free and obstacle-avoidance path planning of the indoor cleaning robot. The results show that in the static environment， the cleaning robot can complete the cleaning task according to the internal spiral path planning method， with high area coverage rate and low repetition rate， and can successfully avoid the obstacles placed and boundaries， and carry out automatic positioning and steering. Compared with the random path planning method， the effect of this method is very good.

【關(guān)鍵詞】清掃機(jī)器人;柵格法;環(huán)境建模

【Keywords】cleaning robot; grid method; environment modeling

【中圖分類號(hào)】TP242;TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2021）07-0183-02

1 引言

隨著科技發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)趨于成熟。如何才能使掃地機(jī)器人真正做到高效率、高智能、低成本的清掃工作是目前研究的重點(diǎn)，其中工作環(huán)境的模型選擇及路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域全覆蓋這一目標(biāo)的難點(diǎn)[1]。為此，環(huán)境柵格地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃算法是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文使用柵格法對(duì)地圖環(huán)境進(jìn)行環(huán)境建模，采取沿邊行走內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃算法進(jìn)行路徑規(guī)劃與仿真實(shí)驗(yàn)。

2 環(huán)境建模方法

環(huán)境建模方法是將機(jī)器人工作的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境轉(zhuǎn)化成能自身準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)境信息的過程。目前，環(huán)境建模方法主要有：拓?fù)浞?、幾何法和柵格法。拓?fù)浞ù蟠鬁p少了幾何路徑特征規(guī)劃的基本工作量和復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了從高維向低維的轉(zhuǎn)化。難點(diǎn)體現(xiàn)在如何定義拓?fù)涔?jié)點(diǎn)[2]。幾何法是將傳感器采集到的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為常見的物理幾何特征，并表示出來。優(yōu)點(diǎn)是精確度高、結(jié)構(gòu)性緊湊、容易準(zhǔn)確地判斷位置信息和識(shí)別目標(biāo);缺點(diǎn)是提取幾何特征時(shí)需要足夠多的傳感器數(shù)據(jù)。柵格法是將機(jī)器人工作空間信息路徑環(huán)境利用相同的尺寸和大小的柵格進(jìn)行綜合分割，然后通過記錄自身所在位置的路徑環(huán)境空間信息，完成整個(gè)路徑環(huán)境規(guī)劃構(gòu)建。相比而言，柵格法更能精準(zhǔn)地表達(dá)出地理信息。利用柵格法進(jìn)行環(huán)境建模時(shí)，柵格地圖的尺寸要考慮以下4點(diǎn)：①房間清掃面積及障礙物數(shù)量;②根據(jù)路徑規(guī)劃方法制定具體路徑和柵格地圖大小;③環(huán)境地圖中柵格尺寸大小;④計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和反應(yīng)能力。本文使用柵格法對(duì)地圖環(huán)境進(jìn)行建模，將房間看作規(guī)則的矩形，掃地機(jī)器人的大小作為基本清掃單位，根據(jù)需要清掃的范圍把房間劃分成若干個(gè)不相同、不重疊的單元格。每一個(gè)單元格代表一個(gè)自由區(qū)或障礙區(qū)，在自由區(qū)內(nèi)機(jī)器人是可以自由活動(dòng)的，在障礙區(qū)內(nèi)機(jī)器人不能通過。如圖1所示，白色柵格表示自由區(qū)域，黑色柵格表示障礙物。

3 路徑規(guī)劃算法與衡量指標(biāo)

3.1 基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃方法

掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃是依據(jù)感知到的周圍環(huán)境信息設(shè)定的路徑規(guī)劃算法，規(guī)劃出一條能實(shí)現(xiàn)對(duì)工作區(qū)域最大覆蓋率且與周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何碰撞的清掃路徑[3]。路徑規(guī)劃方法大致可以分2類：無環(huán)境分析模型的路徑規(guī)劃方法和基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃方法。無環(huán)境模型的路徑規(guī)劃方法是將隨機(jī)工作方式與局部遍歷規(guī)劃結(jié)合的方式，前提是要有充足的時(shí)間和耐心，這樣掃地機(jī)器人的規(guī)劃路徑才能全面覆蓋所工作的區(qū)域，但是此方式工作效率較低。基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃方法是依據(jù)環(huán)境信息按照一定的方法來建立環(huán)境模型，再按照確定的路徑規(guī)劃算法尋找最優(yōu)或近似最優(yōu)路徑，這種方式可確保具有最大的覆蓋率和最小的重復(fù)率。缺點(diǎn)是定位和環(huán)境建模的技術(shù)還不夠成熟[4]。

在實(shí)際的清掃環(huán)境中，肯定有障礙物的存在。本文主要研究掃地機(jī)器人基于環(huán)境模型的路徑規(guī)劃方法，通過采用沿邊行走的內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃算法來實(shí)現(xiàn)避障，機(jī)器人沿著墻壁或者障礙物的邊界進(jìn)行移動(dòng)。在避障過程中，可能遇到以下4種情況：①障礙物形狀大都不規(guī)則，全部按照矩形處理，即采用包絡(luò)法做不規(guī)則障礙物的矩形界線;②沿墻放置及墻壁上的障礙物通常被視為墻壁，掃地機(jī)器人在工作時(shí)沿著障礙物的邊緣行走;③非靠墻設(shè)置的障礙物繞開即可;④掃地機(jī)器人行走過程中不斷地進(jìn)行角度、速度、方向的調(diào)整。每工作完一圈，都經(jīng)歷4種不同的方向（上、下、左、右）。

在避障路徑規(guī)劃中，機(jī)器人需要在工作時(shí)對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中，邊界可視為障礙物。行走前，機(jī)器人向右搜索有沒有障礙物，若存在則按照沿邊走的內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃算法沿著障礙物邊緣進(jìn)行避障，重新選擇運(yùn)動(dòng)方向，若障礙物不存在，則按照原方向繼續(xù)行走。

3.2 路徑規(guī)劃衡量指標(biāo)

3.2.1 覆蓋率

由式（2）可知，當(dāng)總面積S一定時(shí)，Sp越小，重復(fù)率p的數(shù)值越小，重復(fù)覆蓋率越小，掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃越合理。

3.2.3 時(shí)效性

時(shí)效性t是指機(jī)器人全部清掃完所需打掃的面積時(shí)所用的最短時(shí)間，t的值越低，越反映機(jī)器人路徑規(guī)劃的合理性。

3.2.4 能量消耗率

能量消耗率η是指清潔任務(wù)完成時(shí)電池耗電量的比值。

考慮到本文的試驗(yàn)條件，本文僅采用覆蓋率和重復(fù)率來衡量路徑規(guī)劃算法。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 路徑規(guī)劃仿真

在靜態(tài)環(huán)境中，本文使用MATLAB軟件，在22×18的柵格區(qū)域內(nèi)，將它們建立在由一個(gè)傳統(tǒng)的矩形柵格所直接構(gòu)建的二維矩形平面中，采用隨機(jī)路徑規(guī)劃與沿邊走的內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。將機(jī)器人所走過的路徑都標(biāo)記為紅色，把障礙物標(biāo)記為黑色，環(huán)境建模時(shí)由于機(jī)器人體積問題無法直接進(jìn)入的地方直接規(guī)劃為障礙物。

4.2 結(jié)果分析

由圖2可知，掃地機(jī)器人是按照隨機(jī)式路徑規(guī)劃算法執(zhí)行清掃任務(wù)，清掃面積覆蓋率為10.4%，重復(fù)率為80.6%，而且在工作過程中規(guī)劃的路線隨機(jī)，不能自動(dòng)定位和轉(zhuǎn)向，效果不佳。由圖3可知，掃地機(jī)器人按照沿邊行走內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃算法執(zhí)行清掃任務(wù)，清掃面積覆蓋率為99.3%，重復(fù)率為1.1%，并且在工作過程中能自動(dòng)避開邊界，自動(dòng)定位和轉(zhuǎn)向，效果好。

5 結(jié)論

本文采用柵格法建立了環(huán)境地圖柵格模型，利用沿邊行走的內(nèi)螺旋路徑規(guī)劃算法，對(duì)室內(nèi)地面進(jìn)行避障路徑規(guī)劃與仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，在靜態(tài)環(huán)境中掃地機(jī)器人沿內(nèi)螺旋式路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，面積覆蓋率高，重復(fù)率較低，同時(shí)，能夠避開障礙物和邊界，有序進(jìn)行自動(dòng)定位和轉(zhuǎn)向，比隨機(jī)式路徑規(guī)劃方法清掃效率高。

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