室内清洁机器人的全区域路径规划及避障研究

论文摘要

智能清洁机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。虽然己有很多样机和产品产生,但它们仍有很多的问题需解决:如动态环境中的适应性,它的覆盖率和覆盖效率及其成本等。吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作,它涉及了当前多项人工智能技术,从理论和技术上讲,全自主智能吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术,具有较强的代表性,从市场前景角度讲,全自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。本文主要设计了一种智能型家用清洁机器人的体系结构,运动分析及路径规划。其中基本的机械结构设计、全部的运动分析以及路径规划全部由作者独立完成。首先对本课题相关背景和理论做了近一步的研究,介绍了服务机器人的发展和智能清洁机器人的现状。接着按照模块化的思想对机器人的整体结构做了说明,对几种重要的传感器进行了研究,然后对清洁机器人的运动学模型进行了分析,推出了机器人的运动学方程,分析了机器人位置逆解的求解问题。之后提出了一种在未知环境下机器人利用结合遗传算法进行全新的路径规划算法,使智能型机器人能够满足避障及全区域覆盖。最后,本文将几种已知的全区域路径规划算法和本文提出的利用遗传规划的全区域路径规划算法一起进行了模拟,并在覆盖率、重复率、路径长度和花费时间等多方面进行了分析和比较,最终得出了全区域遗传规划路径算法的最优性结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 机器人的定义
• 1.1.2 机器人的类别
• 1.1.3 机器人的发展
• 1.1.4 国内外机器人的研究
• 1.1.5 机器人学的研究领域
• 1.2 清洁机器人
• 1.2.1 智能型清洁机器人的在国外的研究及发展
• 1.3 清洁机器人的发展与展望
• 第二章 清洁机器人的结构设计准则
• 2.1 引言
• 2.2 模块化设计
• 2.3 清洁机器人的整体结构
• 2.3.1 机器人的车体设计
• 2.3.2 行走机构驱动系统
• 2.3.3 机器人的传感器分布设计
• 2.3.4 电源
• 2.4 本章小结
• 第三章 清洁机器人的运动学分析
• 3.1 运动学分析的意义
• 3.2 清洁机器人的运动分析
• 3.2.1 清洁机器人的基本结构
• 3.2.2 机器人运动模型
• 3.2.3 导向轮与后轮的运动分析
• 3.3 机器人的运动学逆解
• 3.4 本章小结
• 第四章 利用遗传算法进行全区域路径规划
• 4.1 引言
• 4.2 机器人路径规划中的一些基本概念
• 4.3 避障方法概述
• 4.3.1 障碍的分类处理
• 4.3.2 障碍搜索方法的选择原则
• 4.4 遗传算法
• 4.5 智能清洁机器人的全区域路径规划
• 4.5.1 遗传规划的工作原理和表述方法
• 4.5.2 遗传算法的优缺点
• 4.6 利用遗传算法的路径规划方法
• 4.6.1 利用遗传算法进行全区域覆盖路径规划的基本思想
• 4.6.2 室内环境建模及个体编码
• 4.6.3 产生初始群体
• 4.6.4 适应度评价函数
• 4.6.5 遗传算子
• 4.6.6 终止
• 4.7 全区域覆盖路径规划的设计
• 4.8 小结
• 第五章 清洁机器人路径规划算法的最优性分析及仿真
• 5.1 引言
• 5.2 全区域遗传规划路径算法的最优性分析
• 5.2.1 已有的全区域路径规划算法
• 5.2.2 全区域遗传路径规划算法的最优性分析
• 5.2.3 最优性分析结论
• 5.3 智能型清洁机器人的运动仿真
• 5.3.1 虚拟现实技术概述
• 5.3.2 虚拟现实系统
• 5.3.3 可视化技术分析
• 5.3.4 虚拟技术在机器人领域应用
• 5.4 基于 3ds max 的虚拟建模环境系统
• 5.4.1 3ds max 系统软件简介
• 5.4.2 3ds max 的动画原理及工作流程
• 5.5 清洁机器人的可视化仿真建模研究
• 5.5.1 清洁机器人的结构仿真模型
• 5.5.2 利用 3ds max 对清洁机器人进行运动分析
• 5.6 清洁机器人的可视化仿真建模研究
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 不足及展望
• 6.2.1 研究中的不足
• 6.2.2 全区域覆盖路径规划算法的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文