扫地机器人自动路径规划系统设计

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1、扫地机器人自动路径规划系统设计摘要：扫地机器人自动路径规划系统设计针对目前扫地机器人大多采用随机 覆盖清扫方式，会造成重复率高、覆盖率低及清扫时间长等问题，提出了一种弓 型算法、栅格法和突发碰撞进行故障报警的全遍历路径规划方案并进行了仿真。 扫地机器人通过红外传感器与碰撞传感器检测周围环境，栅格法把清扫区域划分 为子区域，区域内扫地机器人以边界为起点沿弓型路径遍历清扫，每个子区域按 同样方法清扫，直到完成整个环境遍历清扫。该系统成本低、区域弓型方法简单 易行，具有一定的推广应用价值。关键字：扫地机器人；栅格法；弓型算法；传感器1.课题背景和意义智能扫地机器人是当今智能家居领域研究的热点，目的是

2、用高效的智能清扫 替代以往低效又耗时的手工劳动。制约扫地机器人发展的因素包括软硬件两个层 面。从硬件上来说，传统的扫地机器人多采用单一的红外传感器或超声波传感器 实现行走避障，行走方式可采用随机往复式，清扫不能完全覆盖，效率低，难以 进行智能规划与有序清扫；内螺旋式路线方式清扫虽然覆盖全面，重复率低，但 清扫时间过长，电量消耗高，遇到障碍物时无法很好地重新进行路径规划，因此 难以满足用户需求。高端扫地机器人如科沃斯推出的DN55采用LDS激光雷达进 行导航，其精度高，但是价格高昂，并非普及的最佳方案。从软件层面来说，扫 地机器人的地图构建（SLAM技术）及路径规划涉及到操作系统、深度学习、通

3、信传输等诸多内容，这些复杂控制算法仍存在技术瓶颈，使得目前扫地机器人的 清扫效果不尽如人意，且 SLAM 多依靠激光雷达传感器，大多数传感器造价较高 同时不断旋转会严重影响寿命。智能扫地机器人步入各种应用场所的同时，对其性价比，使用便捷性、可靠 性等都提出了新的要求，因此设计一个扫地机器人路径规划的可行性创新解决方案，支持扫地机器人以价格实惠，效率高的特点普及到大众家庭中去，具有一定 的实际意义。2路径规划方案硬件设计概况扫地机器人自动路径规划系统的硬件主要组成包括可编程序控制器、微型机 器人、红外传感器和碰撞传感器。可编程序控制器通过控制红外传感器和碰撞传 感器进行路径的检测与报警，然后反馈

4、回 PLC 控制器控制调节微型机器人路径行 驶，进而达到路径规划控制作用，系统硬件结构图如图 1 所示。ten ft 挪 P3E1 it樂机漏人图 1 系统硬件结构图2.1 控制模块设计根据方案设计相关电气原理图和 PLC 的外部接线图，并根据实验室搭建实验 模型装置，具体控制模块设计图如图 2 所示。图 2 控制模块设计图2.2 检测模块设计扫地机器人的传感器系统的好坏直接决定扫地机器人的成本和效果，一套配 置合理的传感器系统可以准确地进行机器人的运行状态和所处环境等信息监测。 该系统检测模块包括了红外传感器模块与碰撞传感器模块。2.2.1 红外传感器模块通过检测模块可以实现对外部信息和内部

5、信息的获取，其中获取外部信息主 要采用红外传感器。该扫地机器人自动路径规划系统采用 4 个相同的红外传感器 分别在东南西北四个方向，以获取相关外部环境信息，实现避障功能。2.2.2 碰撞传感器模块碰撞传感器多数采用惯性式机械开关结构，相当一只控制开关，一般碰撞传 感器即可用作碰撞信号传感器。该扫地机器人自动路径规划系统采用 4 个相同的 碰撞传感器，分别在东南西北四个方向，以获取相关外部环境信息，实现突发障 碍物进入区域内，扫地机器人能够继续弓型路线工作。2.3 执行系统设计该扫地机器人自动路径规划系统的执行系统包括驱动装置和扫地装置两部分， 这两部分有机组合起来完成扫地动作。2.3.1 驱动

6、装置驱动模块为扫地机器人设计需考虑的首要问题，其设计主要考虑问题在于机 器人行驶稳定程度能否满足要求，以及直角转弯等设计要求。为提高扫地机器人 的原地转弯效果，该扫地机器人自动路径规划系统以步进电机驱动左右轮的正反 方向实现转弯，以达到最小体积转弯，并且转弯角度任意，转弯半径极低，方便 灵巧，适合室内等狭窄地方使用。该扫地机器人自动路径规划系统采用前后两台 步进电机进行驱动，前电机驱动左右方向，后电机驱动前进行驶，步进电机具有 效率高、稳定性好、性价比高及易控制等特点。2.3.2 扫地装置该扫地机器人自动路径规划系统基于成本考虑，提供一种相对简易的设计方 案，达到了一定的扫地效果。在该扫地机器

7、人自动路径规划系统中扫地系统由一 个微型吸尘器和毛巾组成，吸尘器是由网上买的简易吸尘装置而来，扫地机器人 的毛巾由机器人行驶拖动。3.自动扫地工作流程3.1区域地图建立该扫地机器人自动路径规划系统，采用栅格法划分环境为子区域建立环境地 图。H实际情况下，扫地机器人所面对的外部整体环境都是不变的矩形房间，为建立环境地图的原始基本轮廓，机器人采用初次清扫模式测定工作场所的长宽度，方式是选取房间中长宽方向上无障碍的一段路径行 走至墙壁，设其测定值为、山。这两个值为后续的清扫及环境地图进一步的 建立提供了前提。图3为环境地图原始基本轮廓的构建示意图。图3环境地图原始基本轮廓的构建示意图测得长宽值、”后

8、，机器人即对房间进行清扫作业，并在此过程中建立 更详细的环境地图。如前所述，在路径规划的算法中常米用的是栅格法， 即将地图划分为栅格，对每一个栅格进行遍历以达 到全覆盖的路劲规划。此种方法环境地图建立简单, 算法计算量小，环境信息更新快且简便。栅格的大 小决定其路径规划的复杂程度和效果的好坏，重复率和覆盖率无从保证，论文因 此对栅格法作出了改进。该扫地机器人自动路径规划系统采用改进的栅格法运用 弓型算法规划路线对区域进行整体清扫，弓型逻辑路线清扫示意图如图4所示。图4弓型逻辑路线清扫示意图由图可见，扫地机器人进行弓型清扫，遇见障碍物执行弓型转向进行转弯， 转向5次后完成一个弓字轨迹，遇见障碍物

9、后缩小弓字轨迹大小继续行进，因此 栅格中的部分区域未清扫，该扫地机器人自动路径规划系统分解清扫过程，划分 为四个状态，各个状态进行叠加，达到全遍历的状态，同时减少重复率和提高了 覆盖率。由于家居环境的地形基本是简单规则的，该系统完全可以满足要求，且 对于简单规则地形规划系统运行相对稳定，并且这种路径规划方案具有成本低， 易实现的特点，便于向大众推广。3.2路径规划弓型算法路径规划是机器人移动的核心技术，应用场景广阔，方法繁多，其核心思路 是根据所给地图，利用计算机算法规划机器人移动路径。路径规划的算法主要包 括传统算法，图形学算法和智能仿生学算法，而在扫地机器人的路径规划算法中 常用的是随机路

10、径算法和栅格法。 随机路径算法具有设备成本低，易实现的特 点，其核心思路在于每次遇到障碍物后，由计算机随机生成一个转弯角度，以保 证每次转弯位置不同。该算法对于简单地形规划则相对稳定，但是该路径规划方 案效率较低，且无法完成复杂地形的路径规划。在路径规划的算法中常采用的是 栅格法，即将地图划分为栅格，对每一个栅格进行遍历以达到全覆盖的路劲规划 栅格的大小决定其路径规划的复杂程度和效果的好坏。在该扫地机器人自动路径 规划系统中由于资金有限，无法准确获取地图信息构建地图模型，对此该扫地机 器人自动路径规划系统提出了一种简单路径规划弓型路径规划方案，对该方 案进行了初步探讨和简单实现，并给出实现结果

11、。该扫地机器人自动路径规划系 统弓型路径规划细分为四个状态处理，从状态一开始遇到区域角落则转入下一个 状态，直到状态四结束。图5为路径规划示意图，a), b), c), d)分别为状态一、二、三、四所实现的情况示意图。a)状态一 b)状态二c）状态三d）状态四图5 路径规划示意图将四个状态进行合成，可获得路径规划最终效果，此类规划效果对于规则障 碍物，环境空间效果较好，扫地效率较高。对于状态一，处理流程如下，是状态一则直行，遇到角落则停止，未遇到角 落则右转、直行、左转、直行，再遇到角落则停止，未遇到角落则左转、直行、 右转、直行，一直按照此套方案进行执行，直到满足跳转条件到状态二，状态二 及

12、后面其他状态与状态一相似，在此不再赘述。3.3避障的程序设计3.3.1碰撞检测程序该扫地机器人自动路径规划系统采用前后左右四个碰撞传感器进行碰撞检测 目的是当扫地机器人行驶过程中突然在周围增加了不明障碍物时能够检测出并发 送信号给控制器报警故障，碰撞检测程序如图6所示。图6 碰撞检测程序3.3.2路径检测程序红外传感器进行路径检测，判断时候到道路尽头与行驶的方向，当机器人行驶到尽头时传递信号进行弓型转弯，路径检测程序如图9所示。图 7 路径检测程序3.3.3 驱动程序Ch4*41JilcMfdfdfiiiti-E !+*Txiamr该扫地机器人自动路径规划系统共有两个电机驱动，分别控制前后和左

13、右的路径行驶，配合碰撞传感器与红外传感器进行两个电机正反转，达到弓型逻辑路径行驶目的，驱动程序如图8所示。图 8 驱动程序3.3.4 故障报警程序扫地机器人路径行驶过程中出现故障，指示灯报警提示，故障报警程序如图9所示。图9 故障报警程序4 总结该扫地机器人自动路径规划系统针对扫地机器人自动路径规划进行了相关研究，利用SIMATIC S7-1200并结合传感器和相关硬件，组成了一种基于SIMATIC S7-1200的扫地机器人，并且对机器人清扫路径进行了规划和改进。从硬件上来说，整个系统分为主控模块，检测模块及执行系统。主控模块的 重点在于用SIMATIC S7-1200替代之前低性能的可编程

14、序控制器或单片机，使之 能更好地适应路径规划算法并运行大量的程序;而检测模块则使用各类传感器及 硬件设施采集机器人工作环境中的相关信息，目的是为路径规划和地图信息的建 立提供数据依据;具体的清扫任务则由包含各类电机及其驱动电路等在内的执行 系统完成。与之对应的路径规划系统采用栅格法加弓型轨迹算法进行区域路径行进，做 出的改进更能进一步弥补其原先低覆盖和高重复的缺陷，达成研究目的。该扫地机器人自动路径规划系统成本低、易实现、便于向大众推广，系统还 存在一定的不足之处，比如主控模块处理能力依然不够强悍，难于高效运行各类 程序算法和处理各种环境数据，传感器的感测能力只限于障碍物的存在与否而不 能对各

15、类障碍物加以更细致的区分，路径规划还需要进一步改进等。参考文献1 Deng Xin,Li Ruifeng,Zhao Lijun,Wang Ke,Gui Xichun. Multi-obstaele path planning and optimization for mobile robotJ. Expert Systems with Applications,Volume 183,30 November 20212 改进人工势场法的移动机器人避障轨迹研究J/OL.李二超，王玉华计 算机工程与应用，2021-11-09,D0I:10.3778/j.issn.1002-8331.2108-01223 基于分治思想的扫地机器人全覆盖路径规划算法研究A.许伦辉，林世 城.广西师范大学学报（自然科学版），2020-12-11,D0I:10.16088/j.issn.1001- 6600.2020100402