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1、割草机器人路径规划及避障算法的研究 分类号密级公珏. 编号? ?硕士学位论文割草机器人路径规划及避障算法的研究申请学位级别亟学科专业壅些电氢丝生自动丝论文提交日期生堇旦论文答辩日期. 生鱼旦学位授予单位和日期江苤太堂 生鱼曰答辩委员会主席睦斗评阅人?独创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:旅丝日期: 加年 口月 日年学位论文版权使用
2、授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊光盘版电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致,允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名:碾数务乞沙年易月,牟日 ,。年厶月妒日?江苏大学硕士学位论文摘 要随着城市绿化进程逐渐加快以及草坪业迅猛发
3、展,每年城市草坪、高尔夫球场等公共绿地的修剪需要消耗大量的时间、资金和人力,因此研制出割草机器人,将劳动力从高重复、枯燥的割草作业中解放出来己成为社会发展的必然趋势。在割草机器人相关技术的研究中,路径规划是其研究的核心技术之一,而避障和全区域覆盖则是路径规划中的重要环节。针对割草机器人全区域覆盖路径规划的问题,在首先通过分析几种典型环境建模方法的基础上,提出一种栅格法与拓扑图法相结合的策略,为割草机器人构建环境模型,该方法简单、有效,具备两者优点,特别适用于全区域覆盖路径规划。其次,对全区域覆盖路径规划问题进行详细的数学描述和性能指标分析,采用迂回式行走方式,结合遗传算法,在未知环境中寻找一条
4、性能最优的路径,使机器人实现全区域覆盖。在割草机器人实现全区域覆盖的过程中,机器人既要高效、无遗漏、无重复地覆盖整个区域,又要避开草坪内的各种障碍物。针对割草机器人的避障问题,本文首先分析了几种常用的避障路径规划方法,由于传统的人工势场法存在局限性,使机器人易陷入局部极小,无法脱离障碍物顺利达到目标位置,因此本文提出了填平势场与模拟退火算法相结合的策略对此进行改进,并且从理论上说明改进算法的可行性与有效性。为了验证改进算法的合理性及实用性,本文针对全区域覆盖路径规划问题和避障问题分别进行了仿真实验,从仿真结果可以看出,遗传算法不仅具备收敛性好、鲁棒性高的优点,而且全局搜索能力强,保证了机器人全
5、区域覆盖的可能性和有效性,提高了路径规划的质量和效率;模拟退火算法不仅简单、直观、稳定、可靠、灵活,而且相对于其他算法计算量也小,能够满足割草机器人避障可行性的要求,改进后的算法不仅有效地克服了传统人工势场法中的局部极小问题,而且能够在一定程度上优化行走路径,降低路径的复杂度,对其他机器人的避障路径规划也具有指导意义。关键词:割草机器人,环境建模,全区域覆盖,避障 ,.,., , .? .? , . 。, ., ., .,.,., .,., 。, ,.: , ,.江苏大学硕士学位论文目 录摘 要?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.第一章绪论?.课题研究目的与意义.国内外研究
6、现状?。.割草机器人关键技术.本文主要工作?第二章基于栅格拓扑法的环境建模研究?.引言.几种典型的环境建模方法?.栅格法一.几何法。.拓扑图法.可视图法.自由空间法?.环境定位?一:?。.距离测量.相对坐标法?.矩形环境建模.矩形环境建模思想?.正方形环境建模.矩形环境建模.矩形环境建模的优点。.本章小结?.第三章利用遗传算法进行全区域覆盖路径规划?.引言?.全区域覆盖路径规划描述?.全区域覆盖路径规划的数学描述?.割草机器人路径规划及避障算法的研究.全区域覆盖路径规划的性能指标?.基本区域的全局路径规划?.基本区域的全局路径规划方式?.几种常见的行走方式.几种典型的全区域覆盖路径规划?.单元
7、分解法?.模板模型法?.基于遗传算法的全区域覆盖路径规划.算法原理及特点?.环境描述及数学建模。.基于遗传算法的全区域覆盖.仿真实验?.本章小结第四章割草机器人的避障研究.引言?.常用的避障路径规划方法及特点?.人工势场法?.蚁群算法.遗传算法.粒子群算法?.改进的人工势场法?.传统人工势场法的描述?一.传统人工势场法的局限性?.模拟退火算法的原理及其实现形式一.人工势场一模拟退火算法的避障路径规划.模拟退火算法在避障路径规划中的可行性.仿真实验.本章小结?.江苏大学硕士学位论文第五章总结与展望?.总结?.展望?致射?.参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文一江苏大学硕士学位论文第一章绪论 弟
8、一旱殖比.课题研究目的与意义随着社会不断发展,人们环保意识日益增长,绿色草坪已成为一种时尚,特别是发达国家,草坪业快速发展导致草坪机械产业也随之崛起。根据美国统计,草坪机械全年的销售收入达亿美元,全球达到亿美元。此外,据统计,中国每年对草坪机械的需求以%的速度增长。草坪机械属于传统的机械工业,用来维护草坪、保护植物,包括割草机作为主流产品,也达到了市场%的占有率【】。割草机分两大类:商业割草机和家庭割草机,商业割草机不仅功率大,而且效率高,适用于大型公共绿地,比如高尔夫场地、飞机场、大型园林等,而家庭割草机功率小、操作方便,主要用来修剪花园、庭院等小面积草坪。因此,每年对城市草坪、足球场、高尔
9、夫球场等公共绿地进行修剪和维护作业需要消耗大量人力、物力和时间。使用传统割草机修剪草坪时会产生巨大噪声和废气,不仅污染环境,还严重影响从业人员的身心健康,因此有必要研制出一种割草机器人,用于实现草坪修剪作业的自动化,将人们从高重复、枯燥、劳累的割草作业中解放出来。与传统的割草机相比,现代割草机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。在该系统的研究与设计中,导航与定位技术是其核心技术,而在导航与定位技术中,路径规划与避障控制是机器人实现目标的基础,也是其智能化的直接体现。为了降低草坪维护的成本以及减少修剪草坪的工作量,近年来西方许多国家对机器人的改造进行了
10、深入研究,采用一种新型的方法,融合现代电子技术和智能控制技术,使机器人的改造有了很大的突破,希望在不久的将来能够用割草机器人代替传统的割草机。在科技迅速发展的今天,人民的生活标准逐渐提高,一些应用于工业的科技逐渐走出工厂,因此对割草机器人技术的研究具有一定的通用性和延伸性,为服务型机器人的发展提供了新的方向,也为机器人走向实际应用提供了一种新的指导。此外,割草机器人属于户外型机器人,工作空间是变化、不规则的,怎样使得机器人在不规则的空间中实现各种相关功能,正是当今研究的重点,因此,对割草机器人相关技术的研究十分具有学术价值。基于割草工作的本质特点,机割草机器人路径规划及避障算法的研究器人还需以
11、一种较理想的方法完全覆盖整个区域。全区域覆盖与避障技术是割草机器人必须实现的目标,也是其智能化的直接体现。目前,国际对于割草机器人的研究己成为自动化领域的热门,很多国家已经开发研制出了不同类型的割草机,而且将其中的关键技术推广应用到清洁、吸尘和排雷等领域】。对割草机器人的研究还有着积极的社会价值、重要的商业价值和一定的学术价值,能从侧面反映出我国自动化技术以及机器人学的发展水平,因此对割草机器人相关研究是非常有必要的。若能研制出具有自主知识产权、适应国内市场需求并且廉价的割草机器人,这将对国民经济的发展更具有重要意义。然而,割草机器人的很多技术问题仍有待进一步提高,并且我国割草机器人的研究工作
12、仍处于起步阶段。因此,对割草机器人关键技术的研究无论在理论上还是在实践上都具有十分重要的意义。.国内外研究现状最早的割草机器人大约诞生在第二次世界大战结束后,由于受到时代的影响,大量的军工技术开始转向民用领域,极大程度地带动了家庭生活的自动化。国外从年代开始就有公司开始研制割草机器人,所研究出来的机器人大多数性能相似,都具有定时启动、自主避障、防盗、自动返航充电等功能。目前,在割草机器人产品市场中,设计最成功的产品是公司的 。该机器人重达,大小为.,本体结构为三轮小车,前轮作为万向轮,后轮作为驱动轮,使用两个直流电机驱动,由、的铅酸电瓶提供电源。最重要的特征在于配备在前端的个割刀,它们能将所割
13、的草茎粉碎成草沫放回草地,为草坪提供天然肥料。的电源可支持工作,每次大约能割草坪,此外还有自主充电和防偷盗功能。机器人在工作前,需要对环境中的障碍物、草坪边界进行处理,采用电缆将其包围,在导航过程中,通过感应电缆中的电信号,主要依靠地图技术来进行定位,再根据环境地图信息采用相关路径规划算法安全抵达目的地并成功躲避障碍物。意大利公司生产的 .大小为,采用四轮结构,前端为两个导向轮,后两轮作为驱动轮,支持铿电池、铅酸电瓶和自动充电,每次充电工作时间约为。虽然体积小于江苏大学硕士学位论文,但能对左右的草坪进行作业,割刀高度调节范围为。最大特点是带有雨水传感器,并且依靠自身携带的多种传感器获得实时环境
14、信息来进行路径规划,这种基于多传感器技术融合的路径规划算法对环境的变化适应性好,但复杂环境下决策路径的质量下降了,因此在这方面的研究还有待提高。另外,割草机器人也是该公司的重要产品之一【引,它与.主要区别在于体积更小,更适用于小户型草坪,其它性能指标基本类似。瑞典公司在早期也参与了割草机器人的产品设计,也研制了一系列产品,例如 割草机器人,重达,体积大约为,与其它机器人的区别在于它由一个、的智能电池提供电源,也具备自动充电功能,每次充电后作业面积可达。的本.类似,也采用四轮结构,前两轮作为万向体设计与轮,为机器人指引方向,后两轮为驱动轮。公司在研究过程中,采用的设计方法更好地适用于修剪草坪,例如:该公司设计的大尺寸驱动轮,齿状突起,机器人能够更加可靠地运行在毛糙的草地上;外壳采用了整体悬挂的安装方式,能够迅速采集到任何碰撞外壳的信号;机器人的割草高度还可以通过机器人项部直接调节等。在机器人的相关技术研究中,主要涉及了全区域覆盖路径规划技术的研制,该技术是割草机器人必须实现的目标,也是其智能化的直接体现。比利时公司生产的是一种适用于中型及大型草坪的割草机器人,重约,体积为,通过一个、
