CN108345308A - 一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法 - Google Patents

一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种自动吸尘机器人的随机路径规划方法，所述的自动吸尘机器人包括两个驱动轮、与所述驱动轮连接驱动电机，所述的驱动轮上安装编码器，还包括一个支撑轮，以及安装在前部的障碍物检测装置，所述的驱动轮之间间距为L，所述的驱动电机、编码器和障碍物检测装置与控制器连接，所述的控制器内部设置随机路径规划方法，所述的随机路径规划方法包括以下步骤：(1)、记录当前点Pi的坐标（Xi，Yi），然后直线前进；(2)、检测到障碍物，记录当前点Pi+1的坐标（Xi+1，Yi+1），随机选择一个旋转方向，并直线前进；(3)、检测到障碍物，记录当前点Pi+2的坐标（Xi+2，Yi+2）；(4)、计算Pi和Pi+1两点之间的距离L0，Pi+1和Pi+2两点之间的距离L1，Pi+2和Pi两点之间距离L2；(5)、比较L0，L1和L2的大小，选择最大的距离方向作为新的行进方向。

Description

一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法
技术领域
本发明涉及一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法，属于智能家用电器控制技术领域。
背景技术
随着人们生活节奏的加快，以及要求生活内容越来越丰富，促使智能家电走进了我们的生活。其中，自动吸尘机器人给了我们很大的帮助。家庭的清洁工作非常繁重，并且非常频繁。自动吸尘机器人可以对家庭地板自动进行清扫。它利用自身携带的可充电电池给各种电器供电，其中吸尘电机在自动吸尘机器人内部形成足够的真空，通过条形吸口将地面的垃圾吸入内部的灰尘盒，而驱动电机和驱动轮可以实现自动吸尘机器人的自由行走。自动吸尘机器人通过自身的行走过程就实现了对地面的清洁。
因为目前自动吸尘机器人还不具备非常精确的定位和规划能力，因此其清扫路径的效率就成为非常重要而困难的课题。目前常用的策略是随机的路径，自动吸尘机器人在地面随机行走，放弃任何规划方法，这种策略导致很低的清扫效率，经常会出现自动吸尘机器人长时间在某个区域清扫，而很少会进入其他区域。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足之处，采用选择在概率上最有可能是空旷区域的方向进行清扫，实现更高效率的清扫，但是不增加任何硬件成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法，所述的自动吸尘机器人包括两个驱动轮、与所述驱动轮连接的两个驱动电机，所述的驱动电机上安装编码器，还包括一个支撑轮，以安装在所述的自动吸尘机器人前部的障碍物检测装置，所述的驱动电机、编码器和障碍物检测装置与控制器连接，所述的驱动轮之间的间距为L，所述的控制器通过分别设置两个所述的驱动轮的速度和方向来实现所述的自动吸尘机器人的自由运动，并且根据所述的编码器的信号可以计算所述的自动吸尘机器人的相对移动距离和旋转方向，以起始位置为坐标原点，可计算当前位置的坐标（X，Y），所述的控制器内部设置随机路径规划方法，所述的随机路径规划方法包括以下步骤：
(1)、所述的自动吸尘机器人记录当前点Pi的坐标（Xi，Yi），然后以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(2)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+1的坐标（Xi+1，Yi+1），随机选择一个旋转方向，并以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(3)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+2的坐标（Xi+2，Yi+2）；
(4)、计算Pi和Pi+1两点之间的距离L0=（(Xi-Xi+1)2+(Yi-Yi+1)2）1/2，Pi+1和Pi+2两点之间的距离L1=（(Xi+1-Xi+2)2+(Yi+1-Yi+2)2）1/2，Pi+2和Pi两点之间距离L2=（(Xi-Xi+2)2+(Yi-Yi+2)2）1/2；
(5)、比较L0，L1和L2的大小：
①如果L0最大，则选择从点Pi+2到中点Pm(i,i+1)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+1)为点Pi和Pi+1之间的中点，中点Pm(i,i+1)的坐标为((Xi+Xi+1)/2，(Yi+Yi+1)/2)，则计算Pi+2→Pm(i,i+1)的方向角α为，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β=为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，实现旋转角度α-β，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
②如果L1最大，则选择从点Pi到中点Pm(i+1,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i+1,i+2)为点Pi+1和Pi+2之间的中点，中点Pm(i+1,i+2)的坐标为((Xi+1+Xi+2)/2，(Yi+1+Yi+2)/2)，则计算Pi→Pm(i+1,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i+1,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，所述的两个驱动轮采用的速比向中点Pm(i+1,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
③如果L2最大，则选择从点Pi+1到中点Pm(i,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+2)为点Pi和Pi+2之间的中点，中点Pm(i,i+2)的坐标为（(Xi+Xi+2)/2，(Yi+Yi+2)/2），则计算Pi+1→Pm(i,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，所述的两个驱动轮采用的速比向中点Pm(i,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1。
实施本发明的积极效果是：1、提高随机路径的清扫覆盖率；2、工作方式灵活，易于实现，不增加系统成本。
附图说明
图1是自动吸尘机器人的结构示意图；
图2是自动吸尘机器人的路径规划方法一；
图3是自动吸尘机器人的路径规划方法二；
图4是自动吸尘机器人的路径规划方法三；
图5是自动吸尘机器人的旋转计算模型。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1-5，一种自动吸尘机器人的随机路径规划方法，所述的自动吸尘机器人包括两个驱动轮1、与所述驱动轮1连接的两个驱动电机2，所述的驱动电机2上安装编码器，还包括一个支撑轮3，所述的支撑轮3起到支撑的作用，不用于驱动。其中，所述驱动电机2和编码器与控制器连接。所述的驱动轮1之间的间距为L，所述的控制器通过分别设置两个所述的驱动轮1的速度和方向来实现所述自动吸尘机器人的自由运动，并且根据所述的编码器的信号可以计算所述的自动吸尘机器人的相对移动距离和旋转方向，以起始位置为坐标原点，可计算当前位置的坐标（X，Y）。由于机械间隙，计算误差以及地面打滑等因素，坐标（X，Y）会存在累计误差，也就是说，随着时间的推移，误差会越来越大，但是在一段时间之内，坐标（X，Y）还是具有利用价值。
还包括安装在所述的自动吸尘机器人前部的障碍物检测装置，同样与所述控制器连接。所述的障碍物检测装置可以采用超声波、红外或者是激光雷达等传感器或者两种或者多种传感器的集合。
所述自动吸尘机器人在行走过程中，同时进行了清洁工作，因此行走路径的选择直接决定清洁效率的高低，处于非常重要的地位。
所述的控制器内部设置随机路径规划方法，所述的随机路径规划方法包括以下步骤：
(1)、所述的自动吸尘机器人记录当前点Pi的坐标（Xi，Yi），然后以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(2)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+1的坐标（Xi+1，Yi+1），随机选择一个旋转方向，并以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(3)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+2的坐标（Xi+2，Yi+2）；
通过步骤1-3所述的自动吸尘机器人探索出一个三角区域，如图2-4所示。
(4)、计算Pi和Pi+1两点之间的距离L0=（(Xi-Xi+1)2+(Yi-Yi+1)2）1/2，Pi+1和Pi+2两点之间的距离L1=（(Xi+1-Xi+2)2+(Yi+1-Yi+2)2）1/2，Pi+2和Pi两点之间距离L2=（(Xi-Xi+2)2+(Yi-Yi+2)2）1/2；
通过两点之间的距离计算，可以分析所述的自动吸尘机器人所处的环境状况：距离越大，所对应区域越宽敞；相反，对应区域越狭窄。在路径选择的时候，所述的自动吸尘机器人应该选择间距大的方向进行清扫。
(5)、比较L0，L1和L2的大小：
①如果L0最大，则选择从点Pi+2到中点Pm(i,i+1)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+1)为点Pi和Pi+1之间的中点，中点Pm(i,i+1)的坐标为((Xi+Xi+1)/2，(Yi+Yi+1)/2)，则计算Pi+2→Pm(i,i+1)的方向角α为，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β=为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机2，实现旋转角度α-β，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
如图2所示，Pi和Pi+1两点之间的距离L0最大，因此所述的自动吸尘机器人选择Pi+2→Pm(i,i+1)的方向作为新的清扫方向。
②如果L1最大，则选择从点Pi到中点Pm(i+1,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i+1,i+2)为点Pi+1和Pi+2之间的中点，中点Pm(i+1,i+2)的坐标为((Xi+1+Xi+2)/2，(Yi+1+Yi+2)/2)，则计算Pi→Pm(i+1,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i+1,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机2，旋转角度180°-α-β到180°-α方向上，所述的两个驱动轮1采用的速比向中点Pm(i+1,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
如图3所示，Pi+1和Pi+2两点之间的距离L1最大，因此所述的自动吸尘机器人选择Pi→Pm(i+1,i+2)的方向α作为新的清扫方向，并且为了避免再次遇到障碍物，选择从当前位置Pi+2经过一个半圆到中点Pm(i+1,i+2)位置，随后朝向Pi→Pm(i+1,i+2)的方向α，进入下一次清扫。为了实现上述过程，所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机2，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，与α方向相反。如图5所示，所述的两个驱动轮1的间距为L，旋转半径为D/2，因此V1/V2=，得到V1/V2=，因此所述的自动吸尘机器人控制所述的两个驱动轮1以速比向中点Pm(i+1,i+2)方向旋转，经过一个半圆到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α。
③如果L2最大，则选择从点Pi+1到中点Pm(i,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+2)为点Pi和Pi+2之间的中点，中点Pm(i,i+2)的坐标为（(Xi+Xi+2)/2，(Yi+Yi+2)/2），则计算Pi+1→Pm(i,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机2，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，所述的两个驱动轮1采用的速比向中点Pm(i,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1。
如图4所示，Pi+2和Pi两点之间距离L2，因此所述的自动吸尘机器人选择Pi+1→Pm(i,i+2)的方向α作为新的清扫方向。
综上所述，自动吸尘机器人通过清扫方向的选择增加进入空旷区域的概率，从而减少碰撞次数，从而有效提高清扫效率，该方案不需要增加任何硬件成本，并且工作方式灵活而可靠，易于实现。

Claims (1)

1.一种自动吸尘机器人的最佳随机路径选择方法，所述的自动吸尘机器人包括两个驱动轮、与所述驱动轮连接的两个驱动电机，所述的驱动电机上安装编码器，还包括一个支撑轮，以安装在所述的自动吸尘机器人前部的障碍物检测装置，所述的驱动电机、编码器和障碍物检测装置与控制器连接，所述的驱动轮之间的间距为L，所述的控制器通过分别设置两个所述的驱动轮的速度和方向来实现所述的自动吸尘机器人的自由运动，并且根据所述的编码器的信号可以计算所述的自动吸尘机器人的相对移动距离和旋转方向，以起始位置为坐标原点，可计算当前位置的坐标（X，Y），其特征在于：所述的控制器内部设置随机路径规划方法，所述的随机路径规划方法包括以下步骤：
(1)、所述的自动吸尘机器人记录当前点Pi的坐标（Xi，Yi），然后以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(2)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+1的坐标（Xi+1，Yi+1），随机选择一个旋转方向，并以直线运动方式前进，并且不断检测障碍物；
(3)、所述的自动吸尘机器人检测到障碍物，记录当前点Pi+2的坐标（Xi+2，Yi+2）；
(4)、计算Pi和Pi+1两点之间的距离L0=（(Xi-Xi+1)2+(Yi-Yi+1)2）1/2，Pi+1和Pi+2两点之间的距离L1=（(Xi+1-Xi+2)2+(Yi+1-Yi+2)2）1/2，Pi+2和Pi两点之间距离L2=（(Xi-Xi+2)2+(Yi-Yi+2)2）1/2；
(5)、比较L0，L1和L2的大小：
如果L0最大，则选择从点Pi+2到中点Pm(i,i+1)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+1)为点Pi和Pi+1之间的中点，中点Pm(i,i+1)的坐标为((Xi+Xi+1)/2，(Yi+Yi+1)/2)，则计算Pi+2→Pm(i,i+1)的方向角α为，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β=为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，实现旋转角度α-β，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
如果L1最大，则选择从点Pi到中点Pm(i+1,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i+1,i+2)为点Pi+1和Pi+2之间的中点，中点Pm(i+1,i+2)的坐标为((Xi+1+Xi+2)/2，(Yi+1+Yi+2)/2)，则计算Pi→Pm(i+1,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i+1,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，所述的两个驱动轮采用的速比向中点Pm(i+1,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1；
如果L2最大，则选择从点Pi+1到中点Pm(i,i+2)方向为新的行进方向，中点Pm(i,i+2)为点Pi和Pi+2之间的中点，中点Pm(i,i+2)的坐标为（(Xi+Xi+2)/2，(Yi+Yi+2)/2），则计算Pi+1→Pm(i,i+2)的方向角α为，以及Pi+2到Pm(i,i+2)距离为D=，而所述的自动吸尘机器人当前行进方向角β为；所述的自动吸尘机器人控制所述的驱动电机，旋转角度180°-α-β到方向180°-α上，所述的两个驱动轮采用的速比向中点Pm(i,i+2)方向旋转，到达中点Pm(i+1,i+2)时正好方向角为α，然后以直线运动方式前进，遇到障碍物以后返回步骤1。
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