機器人自動回程充電路徑分析研究

吳冀川, 孫 昊, 朱嘉偉

(1.中國工程物理研究院 流體物理研究所, 四川 綿陽 621900;2.上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展與提高,其越來越多地應用于人類息息相關(guān)的日常事務。機器人就是智能化技術(shù)的應用之一。各式各樣的機器人設計與開發(fā)被應用到相應工作中去,其目的是減輕人類勞動的強度,進而將人類從繁瑣的工作中解脫出來。機器人技術(shù)的開發(fā)主要包括控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設計、自動識別系統(tǒng)以及能源動力供應等。其中,能源動力供應的設計是機器人設計與開發(fā)的重要內(nèi)容。當前,機器人主要采用蓄電池供電?？紤]如何設計開發(fā)讓機器人能自動充電補充能量,提高機器人自主判斷能力,到達高智能化程度,是一項關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。該技術(shù)主要應用于機器人自動規(guī)劃路徑,避開障礙物,尋找充電電源,進而自動接觸完成充電,使機器獲得充足的能源動力,可長期工作。針對不同應用領(lǐng)域和工作環(huán)境的機器人,國內(nèi)外學者研究了各種自動充電方法,并取得了一系列成果[5-6],如普通直插式充電[7]、利用光伏發(fā)電原理充電[8]、利用激光導航對接充電[9]、使用紅外傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合充電[10]等。這些都很好地解決了機器人自動充電的問題,但也存在著某些局限性,如不能選擇最短路徑進行充電以及不能完全覆蓋充電電源位置范圍等。

因此,本文采用可視圖法來解決以上問題。該方法可以歸納為障礙空間法中的一種特殊的方法,能較好地彌補自由空間法存在的缺陷。本文中具體實施步驟為:首先,假設那些輪廓復雜的障礙物近似地看作矩形或多個矩形的組合;并由此建立起描述障礙物的邊界地圖;再根據(jù)所得地圖實現(xiàn)機器人路徑規(guī)劃。

1 可視圖法

1.1 可視點和可視線

雖然清潔機器人的工作環(huán)境及其本身是三維的,單從其路徑進行研究的話,可以把整個過程看作是在二維平面上。對于一個矩形障礙物來說,在二維平面內(nèi),除去障礙物自身,任意一點最多能看到障礙物3個節(jié)點,即3個可視點。視線與可視點的連線稱為可視線?？梢朁c分為內(nèi)可視點、外可視點,相對應的有內(nèi)可視線、外可視線。內(nèi)可視點稱為無效可視點,內(nèi)可視線稱為無效可視線。若障礙物是單一的矩形,則可視線最多有3條。其中一條可視線與其他兩條可視線構(gòu)成的轉(zhuǎn)向角乘積為負,稱其為內(nèi)可視線;另外兩條則為外可視線。由此可知,內(nèi)可視線之所以稱為無效可視線是因為通過內(nèi)可視點的路線都會增加行徑的路程。

可視點和可視線如圖1所示。其中,N1,N2,N3,N4為節(jié)點。N2,N3,N4是s點的可視點,N1是s點的不可視點。s與N2,N3,N4的連線分別為L1,L2,L3,稱之為可視線。

圖1中,可視線L2與L1和L3的夾角的方向是相反的,所以L2是內(nèi)可視線;L1,L3是外可視線。

圖1 可視點和可視線

1.2 可視圖法的工作原理

可視圖法的目的是尋找起點與終點之間的最短路徑,那么機器人最先要判斷起點與終點之間是不是有障礙物。如果沒有障礙物,機器人可以通過感應裝置直接回到終點,避免對機器人運算軟件造成額外負擔。

在二維坐標上,起點和終點都會有各自的坐標值。這里假設它們分別為S點和G點。求出由S點和G點所形成的直線與障礙物所在直線的交點。假設交點坐標為(x,y),障礙物上的點坐標為(xi,yi)。當min(xi)

圖2模擬了一間房間的障礙物分布。黑色塊為障礙物。首先,對障礙物做了膨脹處理[11],于是節(jié)點自動生成。S是起點,G是終點。根據(jù)可視點和可視線的定義生成可視線。于是產(chǎn)生了大量的路徑供選擇。通過可視圖法找到圖2中黑色折線為最短路徑。

圖2 可視圖法的路徑生成

從圖2可以看出,該路徑雖然并不是理論上S點和G點的最短路徑,但是該算法成功地避開了障礙物,同時相當可靠,所找出的最短路徑很接近理論最短路徑。因此,本文中清潔機器人沿用該算法尋找最短路徑。

2 自動回程充電路徑規(guī)劃

2.1 可視圖法路徑分析

可視圖法路徑規(guī)劃是本文設計的一種避障方法,其目的是實現(xiàn)避障并生成起點與終點之間的最短路徑。機器人和充電器之間存在障礙時的可視圖法路徑規(guī)劃如圖3所示。設計步驟如下。

第1步:連接機器人和充電器得到如圖3(a)所示的直線L。

第2步:根據(jù)障礙物在直線L的垂直面P上投影的最左、最右點,確定可視點,即如圖3(a)所示的障礙物上的黑色圓點。

第3步:連接機器人、可視點、充電器,得到若干路徑。

第4步:刪除部分無效路徑,得到如圖3(b)所示的有效路徑(當兩點間連線通過障礙物時,則無效)。

第5步:判斷與求解最短路徑,如圖3(c)所示的黑色加粗實線為所求得的最短路徑。

圖3 可視圖法路徑規(guī)劃

2.2 精準定位充電

機器人運用可視圖法靠近充電器,但是由于掃描地圖的精準度并不能達到100%,因此機器人的充電頭不能和充電器的充電頭精準對接,導致無法充電。為了解決這個問題,本文在充電器上安裝紅外線發(fā)射器,使其發(fā)射紅外定位信號和紅外方向信號,具體如圖4所示;而在機器人上安裝紅外線接收器,使其先通過接受紅外線方向信號確定充電器大致位置,最后再通過接受紅外定位信號與充電器精準對接。

圖4 充電器裝置發(fā)射紅外線信號

3 實驗結(jié)果與仿真

3.1 遠距離時的路徑規(guī)劃

柵格法是將電子地圖離散化邊長為機器人直徑的網(wǎng)絡格子;同時按照設計方法對每一個網(wǎng)絡格子進行編號;然后,按照編號從小到大連線得出若干條路徑;最后,通過算法計算得到最短路徑,即通過柵格法得到最短路徑。在機器人和充電器距離較遠且之間存在障礙時的離散地圖上,將柵格法和可視圖法得到的最短路徑進行對比,具體如圖5所示。

圖5中黑色實線為柵格法得到的最短路徑;黑色虛線為可視圖法得到的最短路徑。

從圖5中不難看出:柵格法由于其設計的局限性無法很好地利用障礙物之間的有效間隙,當障礙物間間距較小時,機器人將兩個或幾個障礙物視為一個整體,機器人只能繞開障礙物到終點;可視圖法求得的路徑比柵格法更短,而且可視圖法從算法上來說更加簡單有效。

3.2 近距離時的路徑規(guī)劃

對于機器人與充電器距離較近時的路徑規(guī)劃,利用紅外線導引法使機器人與充電器精確對接,仿真環(huán)境如圖6所示。圖6中,區(qū)域1表示模擬發(fā)射的紅外方向信號(即遠距離紅外信號)的覆蓋半徑。區(qū)域2為紅外定點信號(即近距離紅外信號)的覆蓋半徑。由于紅外定點信號發(fā)生器的發(fā)射功率低,而且其作用是為了精確定位,所以其覆蓋半徑很窄。區(qū)域3為機器人最終要自主對接的充電站。左上角的圖形4為移動機器人。

圖5 路徑對比

圖6 機器人與充電器遠距離時的位置

近距離時機器人與充電器接觸過程如圖7所示。圖7描述了機器人自主對接充電情況,最終機器人成功與充電器對接。

圖7 機器人與充電器近距離時的接觸過程

4 結(jié) 語

清潔機器人的設計與制造過程中會涉及到很多方面的學科技術(shù),包括傳感器技術(shù)、吸塵技術(shù)、定位技術(shù)以及電池性能等。每一項技術(shù)都值得進行更深層次的研究,只有這樣才能使得機器人變得更好、更完善,為人類分憂解難,具有更好市場價值。

本文提出了一種自動回程充電的方法,在遠距離狀態(tài)下利用可視圖法尋找最短路徑,在近距離狀態(tài)下運用紅外線導引法使機器人與充電器接觸,最后達到自動充電的功能。但還存在一些問題有待解決,比如是否采用最為先進的定位技術(shù),否則會導致清潔機器人的定位精確度較低,無法準確按照路線行進。

清潔機器人的后續(xù)研究包括能否提供有效方案解決上述提到的問題,進一步使機器人擺脫地面的限制并且做到飛行或走墻壁等。