论文总字数：26930字

摘 要

室内扫地机器人能够将人们从繁重的、单调的体力劳动中解救出来，具有广阔的应用前景。但是扫地机器人对未知环境的全覆盖规划还面临着一些问题。因此，需要对扫地机器人的关键技术进行研究。本文将围绕室内地图的构建与实时定位，回溯路径规划进行分析探讨：

1)室内地图的构建与实时定位。首先，构建扫地机器人的速度运动模型，并对扫地机器人在未知室内环境中的避障、导航进行了设计。最后，通过分析常用的各种定位技术与地图构建方法，提出基于滚动窗口的栅格定位与栅格地图。

2)对扫地机器人的点到点的路径规划和线到面的路径规划进行了研究，通过对随机式区域规划技术、往复式区域规划技术和螺旋式区域规划进行分析总结，采用基于优先级的启发式路径规划，来解决扫地机器人的区域覆盖问题并对该算法进行了优化，降低了它的重复率。

3)对于遗漏区域，当扫地机器人陷入死区时，通过回溯算法找到附近的未覆盖区域，并通过A*算法找到一条无障碍回溯路径。当扫地机器人不能通过回溯法找到回溯点时就完成了地室内环境的完全覆盖。

关键词：栅格地图，栅格定位，A*算法，回溯法

Abstract

Indoor sweeping robot can save people from heavy and monotonous physical labor, and has broad application prospects. But in unknown indoor environment, there are still some problems in the automatic path coverage planning of sweeping robot, which hinders the development of sweeping robot. Therefore, it is necessary to study the key technology of the sweeping robot. This paper will focus on the construction of indoor maps and real-time positioning, backtracking path planning for analysis and discussion.

1) Indoor map construction and real-time location. Firstly, the velocity motion model of the sweeping robot is constructed, and the obstacle avoidance and navigation of the sweeping robot in unknown indoor environment are designed. Finally, through the analysis of various commonly used positioning techniques and map building methods, the grid positioning and grid map based on rolling window are proposed.

2) The point-to-point path planning and line-to-surface path planning of sweeping robot are studied. Through the analysis and summary of random regional planning technology, reciprocating regional planning technology and spiral regional planning, heuristic path planning based on priority is adopted to solve the problem of area coverage of sweeping robot. The algorithm is optimized to reduce its repetition rate.

3) The backtracking method is used to cover the missing areas in the full coverage path planning of the sweeping robot. When the robot falls into the dead zone, the backtracking method is used to find the nearby backtracking points, and an accessible backtracking path is found through A* algorithm. When the sweeping robot can not find the backtracking point by backtracking method, it completes the complete coverage of indoor environment.

KEY WORDS: Raster map, raster location, A* algorithm, backtracking method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 论文的主要工作 3

第二章 扫地机器人运动建模和定位 5

2.1 扫地机器人速度运动模型的构建 5

2.1.1 扫地机器人的运动学分析 5

2.1.2 环境坐标变换 6

2.2 扫地机器人的避障模型 6

2.2.1 传感器测量技术 6

2.2.2 扫地机器人的避障方式 6

2.2.3 滚动窗口式机器人避障模型 7

2.3 扫地机器人的定位技术 8

2.4 本章小结 9

第三章 全遍历路径规划 10

3.1 全覆盖路径规划的性能指标 10

3.2 环境建模 10

3.2.1 环境地图的表示方法 10

3.2.2 基于延边学习环境栅格地图的生成 13

3.3 全遍历路径规划 15

3.3.1 点到点的路径规划 15

3.3.2 线到面区域规划遍历 15

3.4 本章小结 18

第四章 基于启发式规划和回溯法的全覆盖路径规划算法 19

4.1 目前常用的几种算法 19

4.1.1 单元分解法 19

4.1.2 生物激励神经网络法 20

4.1.3 模板法 20

4.2 启发式路径规划 21

4.2.1 启发式遍历方法数学描述 23

4.2.2 启发式路径规划区域分解覆盖路径规划 23

4.2.3 启发式路径规划的问题与改进 25

4.3 回溯法 29

4.4 仿真分析 30

4.5 本章小结 31

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 35

致谢 37

绪论

研究背景、目的及意义

随着国家大力推进供给侧改革以及对低端产能不断削减，作为人工智能代表之一的机器人技术开始逐渐从工业走向服务业，走向家庭。服务类机器人主要应用于修理、清扫、救援、监护、割草、军事等方面。在清扫这方面，具有广阔市场应用前景的扫地机器人的发展可以说是一日千里。但是由于目前扫地机人的性价比还比较低，并未受到广大消费者的青睐。

随着当今社会家庭室内环境和办公室内环境面积的增大和劳动力价格的提升，用扫地机器人来代替人类做无聊又费劲的室内清洁工作，逐渐引起大家关注。

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