摘 要

地图创建与路径规划都是移动机器人研究领域的关键技术。机器人利用传感器获取周围环境信息，并构建出自身能理解的环境地图，这就是地图创建。而路径规划则是指机器人利用传感器获取环境信息，结合环境地图，自行规划出一条从起始点到目标点的安全的行走路线。地图创建与路径规划的目的都是使机器人快速高效地到达目标位置，提高机器人的工作效率。

本文针对室内这一特殊的环境，提出了一种以墙壁为参照物，使机器人快速遍历整个室内环境的自主探索方法。讨论了一种基于坐标点的获取与拟合的地图创建方法。同时结合室内环境的特点，在已知全局地图的前提下提出了一种点对点的路径规划方法。

关键词：机器人；地图创建；路径规划

Abstract

Map creation and path planning are the key technologies in the field of mobile robot research. The robot uses the sensor to obtain the surrounding environment information, and constructs the environment map which it can understand, this is the map creation. And the path planning refers to the robot using the sensor to obtain environmental information, combined with the environmental map, Planning a safe walking route from the starting point to the target point by itself. The purpose of map creation and path planning is to make the robot reach the target position quickly and efficiently, and improve the efficiency of the robot.

Based on the particularity of the indoor environment, this paper proposes a kind of self - exploration method which takes the wall as a reference object and makes the robot quickly traverse the whole indoor environment. A method of map creation based on coordinate point acquisition and fitting is discussed. Combined with the characteristics of the indoor environment, a point-to-point path planning method is proposed under the premise of known global map.

Key Words：Robot; map creation; path planning.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 地图创建 1

1.2.2 路径规划 4

1.3本文研究内容及结构安排 5

第2章 运动学分析与传感器选择 7

2.1 移动机器人的运动学分析 7

2.1.1 运动学建模 7

2.1.2 坐标变换 8

2.2 传感器的选择 11

2.2.1 超声波测距传感器 12

2.2.2 火焰传感器 12

2.2.3 红外测速计数传感器 13

2.2.4 陀螺仪 14

2.3 小结 14

第3章 地图创建 15

3.1环境信息的获取 15

3.2 基于传感器数据建立地图 16

3.3误差分析及优化 17

3.4 小结 18

第4章 路径规划 19

4.1 路径规划方法研究 19

4.2 避障算法研究 23

4.3 小结 24

第5章 软件与硬件调试 25

5.1软件调试 25

5.2 硬件调试 25

第6章 总结 27

6.1 毕业设计回顾 27

6.2 不足与展望 27

参考文献 29

附 录 30

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在如今生活节奏不断加快的今天，人们越来越需要从繁忙的家务中解脱出来。因此，社会对于家用移动机器人的需求也越来越迫切。同时，随着经济水平的提高，人们越来越追求生活质量。为了豪华的住宿环境，大量采用易燃的装修材料。这就导致一旦发生火灾，火势很快就会蔓延开来，给人们的生命财产安全带来极大危害。因此如何针对现代楼宇中家居环境的安全隐患进行实时监测，第一时间进行扑灭，具有重大意义。

本文主要研究一种家庭灭火机器人户型地图的创建及路径规划。机器人通过超声波传感器感知环境信息，将获得的环境信息进行处理生成户型地图。机器人可以依靠该地图，在传感器的辅助下自行规划出一条从起始位置到着火点的行动路线，然后机器人运动到着火点进行灭火。该机器人可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，发现火源时可以在无人操作的情况下第一时间进行灭火。对于保护人们生命财产安全起到了极其重要的作用。

1.2 国内外研究现状

20世纪60年代，斯坦福大学研制出第一台能对自身行为做出判断和推理的自主移动机器人Shakey^[1]。标志着人类正式开始探索移动机器人的领域。20世纪70年代末，随着电子计算机、航天技术、传感器技术和自动控制理论的发展，移动机器人研究进入一个新的发展高潮^[2]。21世纪以后，智能化技术得到了长足发展，机器人也走出了实验室，走入人们的日常生活中。而移动机器人要更好地满足人们的各种需求，离不开地图创建与路径规划技术的发展。

1.2.1 地图创建

移动机器人的运动能力是实现其他功能的基础。众所周知，机器人的运动是通过各种运动机构实现的。然而，机器人要按照人们的需求完成指定任务。除了需要运动机构外，还依赖机器人对工作环境的了解程度。机器人利用传感器获取周围环境信息，并构建出自身能理解的环境地图，这就是地图创建。地图创建作为移动机器人领域的关键技术，很早就出现在人们的视野中。20世纪90年代末，卡内基梅隆大学的Buguard和Thrun等学者先后研制出了第一代导游机器人Rhino和第二代Minerva^[3]。他们可以在拥挤的博物馆中自主行动，而这一目标的实现依赖于预先存储的地图信息。因此，建立一个合适的环境地图不仅有利于机器人更好地行动，完成任务。并且还可以降低机器人的计算量。经过这些年的发展，移动机器人构建环境地图常用的有栅格地图、特征地图、拓扑地图^[4],此外还有直接表征法等。

1 栅格地图