摘 要

本文研究的自主扫地机器人，是一种通过自身携带的一系列扫描传感器来获得周围会干涉到自身工作的信息的一种家用电器。由于自身携带有扫描周围环境的传感器，所以可以通过自身的设备来获得需要清洁的环境中周围一切需要的信息，借助这些信息来规划出待扫描的环境的扫地路径。由于有这样的工作机制使得扫地机器人自身可以一边扫描周围环境得到信息一边完成清洁的工作。我们还可以给这种自主扫地机器人安装可以监控自身电量的设备，比如让机器人工作时每隔一段时间检测一次电量，当电量低于一定的阈值时，自动开启充电功能并停止扫描，然后靠自身设置的程序去自动寻找到可以给自身充电的电站，完成充电环节的工作。随着电量的饱和，自主扫地机器人可以自动断开充电的工作，然后接着之前未完成的清扫工作继续运作起来。本文依靠以上的原理，来建立自主扫地机器人的路径规划问题，以及机器人自主寻找充电站的模型，然基于以上原理的机器人可以正常工作来服务于人们。

1、在对待扫描环境区域的边界进行界定的时候，本文用到的是集合表达方法的先行描述的方式。

2、在对于自主扫地机器人在不借助外部设备的帮助下自主完成寻找充电站的过程中，本文采用极坐标定位的方法来准确的规划处扫地机器人的位置，方法是预先在程序中设置好充电站的坐标，然后机器人可以在低电量需要充电时依靠已存在的充电站坐标找到充电站自主完成充电过程。避免了依靠诸如扫描设备一类的其他设备带来的误差以及时间和电量的浪费。

3、对于自主扫地机器人自身形状对于实验的影响比如圆形形状的机器人可能相比于方形机器人对于一些角落环境的覆盖率会有很大的差异，本文也有考虑到。正因为方形形状的机器人相比于圆形机器人在这方面更有优势，所以选择了更好的方形机器人来解决这个问题。

本文中采取的关键方法有：

• 对于自主扫地机器人的路径规划问题，采用基于栅格地图的内螺旋算法，这种算法比较简便而且对于环境覆盖问题中会产生的重复性问题也有比较好的解决方法。
• 对于扫地机器人电量不足并且在依靠自身程序和设备自主寻找充电站的过程中，用到了A*算法来寻找出一条最好的返回移动算法路径。

关键词：自主扫地机器人；全覆盖路径规划算法；内螺旋覆盖算法；A*算法；最优哈密尔顿图

Abstract

Intelligent cleaning robot through their own understanding of environmental information clean path planning. It at work, constantly scanning the environment, by environment information building map, then calculated by the positioning module, the location and the current has swept area, planning the path of cleaned at the same time. Cleaning robot is equipped with electric quantity monitoring device, when the power is lower than the critical value, the robot pause the currently running program, save the current state, open automatic charging mode, automatic search for charging stations, right after the docking charging. , reading before charging status, to continue running program is suspended. On the basis of existing research, this paper establishes the path planning and the automatic charging model, make cleaning robots to serve people better.

1, the establishment of the border to the environment without the use of laser scanning, but USES the geometric linear expression method.

2, looking for charging stations, generally USES the infrared emission, infrared distance is limited, however, when looking to come in before looking for charging stations along the wall, is a waste of time and at the same time take charge. This article adopts the method of polar coordinates, locate the position of the mobile robot is at this point, and a good charging stations have been set position, robot according to the coordinate working towards charging station, after entering the infrared receiving area, using infrared equipment for docking charge again.

3, cleaning robot USES mostly round appearance, clean and inconvenience to the corner, this paper USES a square with rounded appearance, not only can solve the problem, but also can make it beautiful.

4, the obstacles encountered in the process of cleaning robot to walk around the obstacles formula for calculating the boundary geometry expression, then went back to the starting position of the initial detection, then cleaning the house.

The key of this article takes method is:

sweeping path planning is the spiral algorithm based on grid map, the algorithm to realize simple and repetitive coverage. When after all around coverage dumping distance transform (DT) method to search for and movement to the other uncovered area, to ensure the full coverage of the environment.

sweeping robot when the battery is low, need to return to charging pile, A * algorithm can find an optimal return movement algorithm.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3研究的基本内容及必要说明 2

1.3.1研究基本内容 2

1.3.2必要说明 3

第二章 传感器的分析与需求确立 5

第三章 路径规划概述与模型建立 7

3.1路径规划方法概述 7

3.2环境区栅格化建模 7

3.3全区域覆盖路径规划算法及结论 9

3.4基于栅格地图的内螺旋覆盖算法的覆盖方法设计与结果。 10

第四章 机器人返回充电路径规划与求解 17

4.1机器人返回移动算法建模 17

4.2 A*算法实现方法 19

4.3返回路径规划结论 21

第五章 充电站位置及机器人返回的模型建立及结论 23

5.1充电站位置的确定 23

5.2哈密尔顿圈模型求解机器人最短运动路线 23

5.3各房间扫地机器人用时计算 24

第六章 总结与展望 29

参考文献 31

附录 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

本文研究的自主扫地机器人是一种能够依靠自身所带设备完成智能清扫家中环境的一种家用设备。随着人们生活的水平的提高，扫地机器人已经成为众多家庭深受欢迎的家用电器之一。

扫地机器人的外形一般是直径40cm左右，高度为10cm左右的圆盘形状，采用电机驱动后轮子进行移动，前轮是一个万向轮，可以灵活转弯。在机器的设计中通常有两个关键技术：一个是对房屋环境的有效识别（包括墙壁，家具等障碍物），另一个是扫地路径规划。对房屋环境的识别是利用安装在机器上的多个传感器进行侦测，如果碰到墙壁或其他障碍物，则按照设定的算法改变路线。

目前国内外在自主扫地机器人方面的研究还有许多关键技术问题需要解决和提高，其中路径规划就是重要的关键技术之一，也是移动机器人为实现高智能化而必须解决的问题。机器人可以通过机身上的各种传感器，通信器等装置来获取所处位置周围环境的信息，在获得这些数据信息之后，依靠自身所设置的一系列必要的条件和指数，来规划出一条最适合清扫当前环境的路径。当然，所规划的这条路径必须要能够覆盖到需要清扫的环境中的每个角落和区域，来完成扫地机器人作为清洁工具的职能。

本文主要研究了智能扫地机器人在已知需要清扫的环境的情况下如何设计出一条清扫路径，以达到花最少的的时间将整个房间清扫干净的目的，即需要花最短的时间将整个需要清扫的空间遍历一遍的要求 。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

在科技日星月异快速发展的现代社会，各式各样的机器人和智能设备正在快速的走进人们的生活当中。现在我们可以随时在身边发现各式各样的智能型机器人和设备。由于科技的快速发展和智能型设备被广泛的采用，对于智能设备尤其是智能型机器人的使用也变得越来越频繁。这样的情况下，智能机器人进入了人类社会的方方面面，军事、农业、家用以及医疗方面都有广泛的渗入。由于有这样广泛的市场，使得全世界很多国家都展开了对于智能型机器人的研究和开发。