如何使用超聲波定位進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃資料概述

　　隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，移動(dòng)機(jī)器人漸漸走入人們的家庭生活。移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃成為其研究的一個(gè)重要方向。室內(nèi)環(huán)境包括家庭、敬老院、博物館、機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、養(yǎng)殖場(chǎng)等，移動(dòng)機(jī)器人想在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，需要定位系統(tǒng)提供自身位置信息、環(huán)境信息和路徑規(guī)劃。

　　本課題綜合多項(xiàng)技術(shù)，面向?qū)嶋H應(yīng)用在技術(shù)應(yīng)用方法上做出了一定的創(chuàng)新工作，改進(jìn)了路徑規(guī)劃，完成了室內(nèi)定位系統(tǒng)的研發(fā)和室內(nèi)環(huán)境信息的建模。并通過(guò)仿真和實(shí)際機(jī)器人完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體工作分為以下幾點(diǎn)：

　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了超聲波定位系統(tǒng)的硬件部分和通信協(xié)議，選擇三邊測(cè)量法完成受控物體在運(yùn)動(dòng)空間的位姿計(jì)算。此處選受控對(duì)象為機(jī)器人，也可以是人、動(dòng)物及需要定位和獲取相關(guān)信息的移動(dòng)物體等。

　　提出建立未知環(huán)境地圖的方法。機(jī)器人在位黃已知的情況下，沿工作環(huán)境邊緣行走一個(gè)封閉的曲線(xiàn)，對(duì)環(huán)境的大小進(jìn)行一個(gè)全面的感知，建立環(huán)境的輪廓，用柵格法表示。最后在未知環(huán)境柵格化的基礎(chǔ)上應(yīng)用深度優(yōu)先算法遍歷整個(gè)可行的工作空間，搜索出所有的可行路徑的同時(shí)也就知道了所有的障礙物，建立了室內(nèi)環(huán)境地圖。

　　改進(jìn)經(jīng)典A木路徑搜索算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人了從起點(diǎn)到終點(diǎn)的全局最優(yōu)路徑規(guī)劃。該路徑搜索算法考慮了機(jī)器人在行走過(guò)程中的轉(zhuǎn)向問(wèn)題，節(jié)省機(jī)器人行走時(shí)間，降低行走難度。

　　用實(shí)現(xiàn)的超聲波定位系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算移動(dòng)物體位置，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)仿真驗(yàn)證了本課題提出的未知環(huán)境的建模和改進(jìn)的A木路徑規(guī)劃算法的正確性。最后通過(guò)MT—R機(jī)器人完成全局路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。

　　近幾年，隨著機(jī)器人技術(shù)的大力發(fā)展，人們不再滿(mǎn)足于機(jī)器人簡(jiǎn)單的娛樂(lè)功能，怎么能讓機(jī)器人進(jìn)入家居環(huán)境，幫助人類(lèi)減輕家務(wù)負(fù)擔(dān)成為目前機(jī)器人研究的重點(diǎn)方向。經(jīng)過(guò)科學(xué)家多年的研究，各國(guó)在室內(nèi)環(huán)境下的機(jī)器人應(yīng)用有了很大的發(fā)展。

　　為了完成家居環(huán)境、賓館和一些公共場(chǎng)合的定期清掃工作，美國(guó)iRobot公司推出室內(nèi)清潔機(jī)器人；為了使機(jī)器人可以安全行走在家居環(huán)境中實(shí)現(xiàn)兒童監(jiān)護(hù)功能，2005年日本推出PaPeR02005機(jī)器；為了在家居中類(lèi)人機(jī)器人能夠從事簡(jiǎn)單清潔工作和家務(wù)，2008年加拿大推出完美機(jī)器人妻子Aiko；為了在無(wú)入時(shí)監(jiān)控家居環(huán)境，韓國(guó)研制出irobi機(jī)器人。

　　對(duì)于室內(nèi)環(huán)境下的機(jī)器人應(yīng)用研究，我國(guó)研究起步較晚，但是也取了一些成果。為了護(hù)理高位截癱病人，1995年清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了移動(dòng)護(hù)理機(jī)器人，此機(jī)器人可以完成定位，路徑搜索功能；此外將移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境的還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的清掃機(jī)器人，迎賓機(jī)器人等。

　　機(jī)器人在家居環(huán)境應(yīng)用，就必須知道機(jī)器人在室內(nèi)的位置和室內(nèi)環(huán)境信息，在此基礎(chǔ)上完成路徑的規(guī)劃。從上面可以看出，這些位置信息的確定，多是利用機(jī)器人本體進(jìn)行計(jì)算，這需要機(jī)器人本身帶有繁瑣的測(cè)量?jī)x器，計(jì)算量大，獲取困難、而且定位精確度低。 而且對(duì)于同～個(gè)室內(nèi)環(huán)境，每個(gè)機(jī)器人都必有自己的定位系統(tǒng)，這必然增加了機(jī)器人的成本，限制了機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境的廣泛應(yīng)用。

　　本課題從于節(jié)省成本，擴(kuò)大機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用的可行性方面出發(fā)，提出了一個(gè)將機(jī)器人位置信息獲取、室內(nèi)環(huán)境地圖建立和路徑規(guī)劃相融合的整體方案來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用。

　　本課題中利用價(jià)格低廉的超聲波傳感器構(gòu)建室內(nèi)超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)來(lái)獲取機(jī)器人位置信息；在確定機(jī)器人位置基礎(chǔ)上提出基于柵格的DFS（深度優(yōu)先搜索）室內(nèi)環(huán)境地圖建立，為機(jī)器人提供更詳細(xì)的室內(nèi)環(huán)境信息；在機(jī)器人獲得自身位置信息和環(huán)境信息之后，利用改進(jìn)的A木算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的室內(nèi)路徑規(guī)劃。

　　隨著我國(guó)老齡化的到來(lái)，研究機(jī)器人室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用具有實(shí)際意義。本課題構(gòu)建的機(jī)器人任室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，成本低，獨(dú)訌性好的特點(diǎn)。不論機(jī)器人是否帶有自動(dòng)定位系統(tǒng)，本課題都適用，推進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用的可行性。