割草机器人路径规划及仿真研究
割草机器人路径规划及仿真研究[20191215170541]
摘 要
早在上世纪六十年代末期人们就已经开始了对移动机器人的研究。而机器人研究领域中的一个重要分支——路径规划技术。也成为了研究智能割草机器人技术无法回避的重要研究课题。机器人路径规划方法大致可以分为两类:传统方法和智能方法。
本文主要对割草机器人的避障问题进行研究分析，并对其中的人工势场法进行重点分析，然后对该方法存在的不足给出改进方案，通过编写仿真程序，建立割草机器人工作地图，然后按照改进后的人工势场法建立人工斥力场与引力场，从而根据优化条件搜索出一条从指定起点到终点的最优或近似最优路径，机器人利用自身视觉传感器按照规划出的最优路径自动导航，无碰撞地移动到目标点。?
通过Matlab平台的仿真结果表明，改进后的人工势场算法能迅速规划出较优的机器人行驶路径，并且算法简单有效。与传统的人工势场算法比较，它可以有效解决目标不可达及避免陷入局部最小值的问题，能够使得割草机器人在较短的时间内规划出一条最优路径并实现避障。
摘 要 46
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:割草机器人；路径规划；人工势场法；
目录
摘 要 I
ABSTRACT III
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2割草机器人发展现状 1
1.2.1割草机器人的国外发展现状 1
1.2.2国内割草机器人发展现状 3
1.3割草机器人路径规划的研究现状 4
1.3.1机器人路径规划方法的发展历程 4
1.3.2机器人路径规划方法分类 6
1.4论文结构及主要内容 7
第2章 割草机器人全覆盖路径规划方法 9
2.1全覆盖路径规划的概述 9
2.2全覆盖路径规划方法 9
2.2.1随机覆盖法 9
2.2.2模板模型法 10
2.2.3 Boustrophedon(牛耕式)覆盖方法 10
2.2.4 STC覆盖算法 12
2.2.5 ISC(内螺旋)覆盖算法 12
第3章 基于人工势场法的路径规划 14
3.1经典人工势场法 14
3.1.1人工势场法的特点 14
3.1.2人工势场的算法模型 14
3.2改进的人工势场法 16
3.2.1目标点无法到达的处理方法 16
3.2.2局部最小陷阱的处理方法 17
第4章 仿真实验与结果分析 21
4.1仿真平台的选取与介绍 21
4.1.1仿真的作用及意义 21
4.1.2仿真平台的选取 21
4.2仿真实验 23
4.2.1斥力场的建立 23
4.2.2引力场的建立 24
4.2.3路径搜索的程序实现 25
4.3仿真结果分析 28
第5章 结论与展望 32
5.1工作总结 32
5.2研究展望 32
参考文献 34
附录： 37
ABSTRACT 38
第1章 第2章 绪论
1.1课题研究背景与意义
随着现代经济的发展与进步，人类文明的提高和经济的不断发展，各国城市建设的不断深化，人们的环保意识也越来越高，绿化问题也开始倍受关注。随着土地沙漠化的出现和全球生态环境的日益变差，绿化及绿化覆盖率的问题也开始受到各国的广泛关注。而草坪绿化作为现代园林绿化中不可缺少的元素，并且在现代园林绿化中占了相当大一部分比例。伴随着绿色草坪的流行与发展，草坪业也随之新兴而起，尤其是在一些发达国家中草坪业已发展成一大产业。同时也带动了草坪机械行业的发展。统计结果表明美国每年草坪业的产值就高达250亿美元以上，从业人员达50万人之多。随着我国综合国力的提高，我国对草坪机械的需求量也越来越大。草坪机械作为传统机械，可用来进行草坪维护、修剪、植物保护。而作为草坪机械中主流产品的割草机，占有了80%以上的市场份额。现代的割草机都是需要人工去驾驭、去使用的，况且割草工作重复而繁琐，用传统的割草机修剪草坪无疑是十分落后的。随着社会向机械化、自动化、智能化发展，一些科技发达国家提出了应用现代控制技术和现代电子技术来改造和提升草坪割草机械的设想，此外由于人工割草产生效率底下，而且花费大。从而导致割草机器人的研究应运而生，本课题主要研究的是通过对割草机器人相应的算法控制，来对其路径进行规划，并在仿真软件中进行仿真测试，以此来促进我国割草机器人向实用化、普及化发展。
1.2割草机器人发展现状
1.2.1割草机器人的国外发展现状
国外早在十几年前就已经开始了智能割草机器人的研究, 并且已经取得了一定的研究成果, 从事该项研究的单位包括大专院校，公司企业, 机器人爱好者团体及个人. 作为拥有大量的草坪的北美及欧美等发达国家, 在市场上已经开始销售智能割草机器人, 虽然基本上都还停留于中等智能水平;而在草坪业已发展为十大支柱产业之一的美国, ,自从二零零四年就每年都要举办自动割草机器人比赛( Annual Autonomous Law nmow er Competition) , 目的就是为了促进智能割草机器人的研发，从而实现智能割草机器人的全自主运行[1].
图1.1早期的割草机器人
目前，在割草机器人产品市场中，设计比较成功的产品有Friendly Machines公司的Friendly Robomow，意大利Zucehetti公司研制的Ambrogio Robo Lownmowe，此外瑞典的Electrolux公司在早期也加入割草机器人的设计研究，研制了一系列产品，Husqvama AutoMower割草机器人就是其研制的产品之一，同时为了适用于中型及大型草坪的割草，比利时的Belroboties公司特研发生产了Bigmow割草机器人。
除了以上的公司外，许多高级院校和科研组织机构也踊跃参与了割草机器人相关技术的研究工作。其中对机器人的整体框架的研究成果较为突出的是美国的俄亥俄大学，他们创新性的用铝合金来制造机器人，这样不仅减轻了机器人的重量，而且更加的节约成本。与其它机器人不同的是，并且他们研制的机器人已经具备了自动运行的功能。而且还可以通过远程控制和自动化操作来够精确地采集到机器人的位置信息，从而使精确的定位追踪得以实现，其导航系统更是采用了差分全球定位系统，这突破性的提高了导航技术的发展。
图1.2俄亥俄大学的智能割草机器人
1.2.2国内割草机器人发展现状
割草机器人在国内的研究起步相对国外晚了很多了，而且技术也相对落后得多，参与该项技术研究的单位也不是很多，虽然如此，但是还是有一些突破型的成果，例如南京理工大学就参与了此项技术的研究，并且成功的研制出了一些样机，像MORO．?、MORO．??型移动机器人就是一款他们研制的非常具有代表性的样机之一。而且在研发过程中，还对一些对机器人的定位、避障、运动控制等相关技术进行了深入的分析，并且这些方案有很多都是非常简单实用的，在这过程中机器人的驱动力矩方程的成功推出，为割草机器人的研究中一些相关器件的选择提供了方便。我国在进行割草机器人研发过程中，独创性的把基于Internet的机器人控制技术以及太阳能等技术应用于割草机器人中。
从总体上来说，我国研制的机器人在导航、路径规划和控制等关键技术与日美发达国家还是存在很大的差距，因此社会发展的需要大家来对机器人相关技术进行研究，而且为了促使户外移动机器人技术与相关理论的发展，我们也应该来对机器人的相应技术进行研究，所以可以说对机器人技术的研究是非常具有实用意义的，并且还可应用到其它领域。
1.3割草机器人路径规划的研究现状
1.3.1机器人路径规划方法的发展历程
路径规划技术作为机器人研究领域中的一个核心组成部分,经过半个多世纪的发展，在该研究领域取得了很多里程碑式的成就，主要有：
(1) 1966年，J．E．Doran和D．Mihie基于图论最早开始了路径规划这一领域的研究[2]。
(2) 1968年，W．E．Howden提出了可用于解决路径规划中的几个难点问题的“搬沙发问题”。
(3) 1968年，P．Hart、N．Nilsson和B．Rafeal为了改善经典Dijkstra算法在路径规划中效率低的缺点，提出了机器人路径规划经典性基础的优化 算法。
(4) 1971年，R．E．Fikes、P．Hart和N．Nilsson提出了Strips方法。
(5) 1979年，T．Lozano Perea和M．A．Wesley为了处理存在障碍物空间的路径规划问题，正式给出了路径搜索的概念。
(6) 1979年，为了处理包包含嵌套多步的路径规划问题J．Albus提出了任务分解法，从而也使得该方法后面发展成为了NIST．RCS方法的核心。
(7) 1981年，T．Lozano Perea提出了机器人位置空间(Configuration Spcae)的概念，将机器人缩小为点，同时将障碍物按比例相应的扩张，使得机器人能够在这个新的空间中自由移动，这样可以大大简化机器人路径规划中碰壁问题的处理，这一概念也 经常被翻译为自由空间或结构空间。
(8) 1983年，M．Julliere、L．Marce和H．Place提出了近似于栅格法的环境建模思想，这一方法随后被Elfes和Moraves进一步完善成型。
(9) 1985年，J．E．Hopcroft、D．A．Hoseph和S．N．Whitesides分析了二维有界空间的机器人的几何特征，以及与路径规划之间的约束关系。
(10) 1985-1995年的十年问，众多的经典路径规划方法被提出来，并且被逐步改善 和丰富，例如人工势场法、距离变换法、PRM随机路图法等。
(11) 上世纪90年代，人工神经网络、遗传算法和模糊算法等被成功地应用于移动 机器人的路径规划中，取得了很多成果。
（12）机器人路径规划的研究已经获得了大量的成果，一般的机器人路径规划问题也得到了一定程度上的解决，但仍然存在有一些特殊的路径规划问题尚未得到较好的解决。 移动机器人的路径规划方法根据其运用处理算法的不同，又可以分为两类：全局路径规划方法和局部路径规划方法。
然而针对割草机器人而言，对于路径规划又具有一些不同于其他机器人的要求，因为割草机器人是全覆盖路径规划的移动机器人，它不仅需要具备前进、后退和转弯能力，而且为了能适应现实环境，还需具备感知环境的能力。本论文研究的是具有激光能力的割草机器人。对割草机器人进行路径规划时，要根据激光扫描的结果，使割草机器人给出相应的动作反应。因此割草机器人有以下工作特点：
（1）具有快速反应能力：根据相应的算法控制命令能立刻给出相应的动作。
（2）具有感知环境能力：利用激光扫描装置，来感知周围的环境。
（3）具有自主决策能力：能根据激光扫描的结果，自行选择相应的算法来控制其动作。
未来对割草机器人路径规划肯定会运用更好且易实现的方法来进行控制，使其能在复杂多变的环境中仍能较好的实现全覆盖。随着科技的不断发展，机器人智能化会越来越普遍。未来的割草机器势必能解决以下问题：能应对移动的障碍物，能在非平面区域进行全覆盖路径规划，以及对障碍物的位置和数量没有限制。未来割草机器人会有以下特点：高安全性、高效率性、高节能性。
摘 要
早在上世纪六十年代末期人们就已经开始了对移动机器人的研究。而机器人研究领域中的一个重要分支——路径规划技术。也成为了研究智能割草机器人技术无法回避的重要研究课题。机器人路径规划方法大致可以分为两类:传统方法和智能方法。
本文主要对割草机器人的避障问题进行研究分析，并对其中的人工势场法进行重点分析，然后对该方法存在的不足给出改进方案，通过编写仿真程序，建立割草机器人工作地图，然后按照改进后的人工势场法建立人工斥力场与引力场，从而根据优化条件搜索出一条从指定起点到终点的最优或近似最优路径，机器人利用自身视觉传感器按照规划出的最优路径自动导航，无碰撞地移动到目标点。?
通过Matlab平台的仿真结果表明，改进后的人工势场算法能迅速规划出较优的机器人行驶路径，并且算法简单有效。与传统的人工势场算法比较，它可以有效解决目标不可达及避免陷入局部最小值的问题，能够使得割草机器人在较短的时间内规划出一条最优路径并实现避障。
摘 要 46
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:割草机器人；路径规划；人工势场法；
目录
摘 要 I
ABSTRACT III
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2割草机器人发展现状 1
1.2.1割草机器人的国外发展现状 1
1.2.2国内割草机器人发展现状 3
1.3割草机器人路径规划的研究现状 4
1.3.1机器人路径规划方法的发展历程 4
1.3.2机器人路径规划方法分类 6
1.4论文结构及主要内容 7
第2章 割草机器人全覆盖路径规划方法 9
2.1全覆盖路径规划的概述 9
2.2全覆盖路径规划方法 9
2.2.1随机覆盖法 9
2.2.2模板模型法 10
2.2.3 Boustrophedon(牛耕式)覆盖方法 10
2.2.4 STC覆盖算法 12
2.2.5 ISC(内螺旋)覆盖算法 12
第3章 基于人工势场法的路径规划 14
3.1经典人工势场法 14
3.1.1人工势场法的特点 14
3.1.2人工势场的算法模型 14
3.2改进的人工势场法 16
3.2.1目标点无法到达的处理方法 16
3.2.2局部最小陷阱的处理方法 17
第4章 仿真实验与结果分析 21
4.1仿真平台的选取与介绍 21
4.1.1仿真的作用及意义 21
4.1.2仿真平台的选取 21
4.2仿真实验 23
4.2.1斥力场的建立 23
4.2.2引力场的建立 24
4.2.3路径搜索的程序实现 25
4.3仿真结果分析 28
第5章 结论与展望 32
5.1工作总结 32
5.2研究展望 32
参考文献 34
附录： 37
ABSTRACT 38
第1章 第2章 绪论
1.1课题研究背景与意义
随着现代经济的发展与进步，人类文明的提高和经济的不断发展，各国城市建设的不断深化，人们的环保意识也越来越高，绿化问题也开始倍受关注。随着土地沙漠化的出现和全球生态环境的日益变差，绿化及绿化覆盖率的问题也开始受到各国的广泛关注。而草坪绿化作为现代园林绿化中不可缺少的元素，并且在现代园林绿化中占了相当大一部分比例。伴随着绿色草坪的流行与发展，草坪业也随之新兴而起，尤其是在一些发达国家中草坪业已发展成一大产业。同时也带动了草坪机械行业的发展。统计结果表明美国每年草坪业的产值就高达250亿美元以上，从业人员达50万人之多。随着我国综合国力的提高，我国对草坪机械的需求量也越来越大。草坪机械作为传统机械，可用来进行草坪维护、修剪、植物保护。而作为草坪机械中主流产品的割草机，占有了80%以上的市场份额。现代的割草机都是需要人工去驾驭、去使用的，况且割草工作重复而繁琐，用传统的割草机修剪草坪无疑是十分落后的。随着社会向机械化、自动化、智能化发展，一些科技发达国家提出了应用现代控制技术和现代电子技术来改造和提升草坪割草机械的设想，此外由于人工割草产生效率底下，而且花费大。从而导致割草机器人的研究应运而生，本课题主要研究的是通过对割草机器人相应的算法控制，来对其路径进行规划，并在仿真软件中进行仿真测试，以此来促进我国割草机器人向实用化、普及化发展。
1.2割草机器人发展现状
1.2.1割草机器人的国外发展现状
国外早在十几年前就已经开始了智能割草机器人的研究, 并且已经取得了一定的研究成果, 从事该项研究的单位包括大专院校，公司企业, 机器人爱好者团体及个人. 作为拥有大量的草坪的北美及欧美等发达国家, 在市场上已经开始销售智能割草机器人, 虽然基本上都还停留于中等智能水平;而在草坪业已发展为十大支柱产业之一的美国, ,自从二零零四年就每年都要举办自动割草机器人比赛( Annual Autonomous Law nmow er Competition) , 目的就是为了促进智能割草机器人的研发，从而实现智能割草机器人的全自主运行[1].
图1.1早期的割草机器人
目前，在割草机器人产品市场中，设计比较成功的产品有Friendly Machines公司的Friendly Robomow，意大利Zucehetti公司研制的Ambrogio Robo Lownmowe，此外瑞典的Electrolux公司在早期也加入割草机器人的设计研究，研制了一系列产品，Husqvama AutoMower割草机器人就是其研制的产品之一，同时为了适用于中型及大型草坪的割草，比利时的Belroboties公司特研发生产了Bigmow割草机器人。
除了以上的公司外，许多高级院校和科研组织机构也踊跃参与了割草机器人相关技术的研究工作。其中对机器人的整体框架的研究成果较为突出的是美国的俄亥俄大学，他们创新性的用铝合金来制造机器人，这样不仅减轻了机器人的重量，而且更加的节约成本。与其它机器人不同的是，并且他们研制的机器人已经具备了自动运行的功能。而且还可以通过远程控制和自动化操作来够精确地采集到机器人的位置信息，从而使精确的定位追踪得以实现，其导航系统更是采用了差分全球定位系统，这突破性的提高了导航技术的发展。
图1.2俄亥俄大学的智能割草机器人
1.2.2国内割草机器人发展现状
割草机器人在国内的研究起步相对国外晚了很多了，而且技术也相对落后得多，参与该项技术研究的单位也不是很多，虽然如此，但是还是有一些突破型的成果，例如南京理工大学就参与了此项技术的研究，并且成功的研制出了一些样机，像MORO．?、MORO．??型移动机器人就是一款他们研制的非常具有代表性的样机之一。而且在研发过程中，还对一些对机器人的定位、避障、运动控制等相关技术进行了深入的分析，并且这些方案有很多都是非常简单实用的，在这过程中机器人的驱动力矩方程的成功推出，为割草机器人的研究中一些相关器件的选择提供了方便。我国在进行割草机器人研发过程中，独创性的把基于Internet的机器人控制技术以及太阳能等技术应用于割草机器人中。
从总体上来说，我国研制的机器人在导航、路径规划和控制等关键技术与日美发达国家还是存在很大的差距，因此社会发展的需要大家来对机器人相关技术进行研究，而且为了促使户外移动机器人技术与相关理论的发展，我们也应该来对机器人的相应技术进行研究，所以可以说对机器人技术的研究是非常具有实用意义的，并且还可应用到其它领域。
1.3割草机器人路径规划的研究现状
1.3.1机器人路径规划方法的发展历程
路径规划技术作为机器人研究领域中的一个核心组成部分,经过半个多世纪的发展，在该研究领域取得了很多里程碑式的成就，主要有：
(1) 1966年，J．E．Doran和D．Mihie基于图论最早开始了路径规划这一领域的研究[2]。
(2) 1968年，W．E．Howden提出了可用于解决路径规划中的几个难点问题的“搬沙发问题”。
(3) 1968年，P．Hart、N．Nilsson和B．Rafeal为了改善经典Dijkstra算法在路径规划中效率低的缺点，提出了机器人路径规划经典性基础的优化 算法。
(4) 1971年，R．E．Fikes、P．Hart和N．Nilsson提出了Strips方法。
(5) 1979年，T．Lozano Perea和M．A．Wesley为了处理存在障碍物空间的路径规划问题，正式给出了路径搜索的概念。
(6) 1979年，为了处理包包含嵌套多步的路径规划问题J．Albus提出了任务分解法，从而也使得该方法后面发展成为了NIST．RCS方法的核心。
(7) 1981年，T．Lozano Perea提出了机器人位置空间(Configuration Spcae)的概念，将机器人缩小为点，同时将障碍物按比例相应的扩张，使得机器人能够在这个新的空间中自由移动，这样可以大大简化机器人路径规划中碰壁问题的处理，这一概念也 经常被翻译为自由空间或结构空间。
(8) 1983年，M．Julliere、L．Marce和H．Place提出了近似于栅格法的环境建模思想，这一方法随后被Elfes和Moraves进一步完善成型。
(9) 1985年，J．E．Hopcroft、D．A．Hoseph和S．N．Whitesides分析了二维有界空间的机器人的几何特征，以及与路径规划之间的约束关系。
(10) 1985-1995年的十年问，众多的经典路径规划方法被提出来，并且被逐步改善 和丰富，例如人工势场法、距离变换法、PRM随机路图法等。
(11) 上世纪90年代，人工神经网络、遗传算法和模糊算法等被成功地应用于移动 机器人的路径规划中，取得了很多成果。
（12）机器人路径规划的研究已经获得了大量的成果，一般的机器人路径规划问题也得到了一定程度上的解决，但仍然存在有一些特殊的路径规划问题尚未得到较好的解决。 移动机器人的路径规划方法根据其运用处理算法的不同，又可以分为两类：全局路径规划方法和局部路径规划方法。
然而针对割草机器人而言，对于路径规划又具有一些不同于其他机器人的要求，因为割草机器人是全覆盖路径规划的移动机器人，它不仅需要具备前进、后退和转弯能力，而且为了能适应现实环境，还需具备感知环境的能力。本论文研究的是具有激光能力的割草机器人。对割草机器人进行路径规划时，要根据激光扫描的结果，使割草机器人给出相应的动作反应。因此割草机器人有以下工作特点：
（1）具有快速反应能力：根据相应的算法控制命令能立刻给出相应的动作。
（2）具有感知环境能力：利用激光扫描装置，来感知周围的环境。
（3）具有自主决策能力：能根据激光扫描的结果，自行选择相应的算法来控制其动作。
未来对割草机器人路径规划肯定会运用更好且易实现的方法来进行控制，使其能在复杂多变的环境中仍能较好的实现全覆盖。随着科技的不断发展，机器人智能化会越来越普遍。未来的割草机器势必能解决以下问题：能应对移动的障碍物，能在非平面区域进行全覆盖路径规划，以及对障碍物的位置和数量没有限制。未来割草机器人会有以下特点：高安全性、高效率性、高节能性。
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