一种路径规划算法的改进与设计.docx

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一种路径规划算法的改进与设计

毕业设计说明书

0906054116

电子与计算机科学技术学院

师少兵

学生姓名：

学号：

软件工程

学院：

潘广贞

专业：

指导教师：

2013年6月

楼宇煤气智能监测系统设计

摘要

本文主要介绍了楼宇煤气监测系统的工作原理及系统硬件设计、系统软件设计的实现方法。

整个系统按逻辑分为主机控制模块、传感器输入模块、报警输出模块三部分，旨在完成室内煤气监控以减少因煤气泄漏造成的中毒或者火灾等意外事故的发生，从而更好的保护人民的人身财产安全。

本系统基于单片机来设计，单片机根据传感器获取的煤气浓度来做出报警等一系列动作。

当煤气浓度超过阀值时驱动声光报警并启动排气扇以降低室内煤气浓度。

主机控制模块包括键盘子模块、数码管及LCD显示子模块、时间及定时子模块等三个模块；传感器输入模块包括气敏传感器、温度传感器、光敏传感器、湿敏传感器四路输入以及A/D转换子模块；报警输出模块包括闪光报警、声音报警、排气装置、等三个子模块。

整个系统由以上各模块协同工作最终完成煤气监测的任务，并能保证系统的稳定性及安全性。

关键词：

煤气检测，监测系统，智能，报警

TheDesignof

IntelligentMonitoringSystemoftheBuildingofGas

Abstract

Thispaperdescribestheprincipleofthegasdetectionsystemofbuildingandthedesignofthesystemhardwareanditsimplementationmethod.Thewholesystemisdividedintothreepartsinlogical,includethehostcontrolmodule,thesensorinputmodule,thealarmoutputmodule,whichinordertocompletetheindoorgasmonitoringthattoreducethetoxicgasleaksorfirescausedbyaccidents,andinordertoprotectpeople'spersonalandpropertysafetybetter.

Thesystemisdesignedbasedonsinglechip,thesinglechipmakeaseriesofactionswhenitobtainedthegasconcentrationfromthesensor.Whengasconcentrationsexceedthethresholditstartingtodrivethesoundandlightalarmthendrivetheexhaustfantoreducetheindoorgasconcentrations.Hostcontrolmoduleincludethreemodules:

keyboardsub-modules,digitaltubeandLCDdisplaysub-module,timeandtimingsub-module;sensorinputmoduleincludingfoursensor:

gassensors,temperaturesensors,lightsensors，humidsensorandaA/Dconverter;Thealarmmoduleincludedthreemodules:

flashalarm,soundalarm,exhaust.Thosemodulesaboveworktogethertofinishthetaskofgasdetection,andensuredthesystemstabilityandsecurity.

Keywords:

gasdetection,monitoringsystem,intelligent,alarm

1引言

1．1课题研究背景

随着城市的发展和人民生活水平的提高，人们出行的次数和出行的路程都在增加，作为城市枢纽的公共交通承担着越来越重的运输任务。

同时，公交线路的条数和公交车数量也在迅速增多，公交的服务时间在延长，到站路程在扩大，服务质量在提高，给人民的日常生活带来了很多便利。

然而，随着人们所到目的地范围扩大，出行往往需要转乘多亮公交车才能到达目的地，如何在短时间、路程最短、成本最低的情况到达目的地，是人们所关注的问题。

因此，我们的课题是运用计算机及网络技术，结合国内外先进的数学计算方法，运用路径规划的思想，设计一套方便人们出行时所需的最佳公交换乘方法，给人们出行节约更多的时间和金钱。

1．2国内外研究现状

路径规划是运动规划的主要研究内容之一。

运动规划由路径规划和轨迹规划组成，链接起点位置和终点位置的序列点或曲线称之为路径，构成路径的策略称之为路径规划。

路径规划在机器人学与虚拟装配中研究较多，主要研究内容可概括为：

1）静态结构化环境下的路径规划；

2）动态已知环境下的路径规划；

3）动态不确定环境下的路径规划；

根据规划体对环境信息知道的程度不同，路径规划可分为两种类型：

环境信息完全已知的全局路径规划，又称静态或离线路径规划；环境信息完全未知或部分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划，又称动态或在线路径规划。

局部路径规划和全局路径规划并没有本质区别。

很多适用于全局路径规划的方法经过改进都可以用于局部路径规划；而适用于局部路径规划的方法都可以适用于全局路径规划[1]。

全局路径规划的方法主要有：

栅格法[2]、构形空间法[3-7]、可视图法[1,8]、拓扑法和概率路径图法[9,10]；局部路径规划的主要方法有：

人工势场法[11,12]、模糊逻辑算法[1]、遗传算法[1,10]和基于神经网络方法[2]。

随着计算机传感器及控制技术的发展特别是各种新算法不断涌现，路径规划技术已经取得了丰硕研究成果，特别是周围环境已知的全局路径规划其理论研究已比较完善，目前比较活跃的领域是研究在环境未知情况下的局部规划。

从研究成果看，有以下趋势：

1）智能化的算法将会不断涌现。

模糊控制、神经网络、遗传算法以及它们的相互结合也是研究热点之一。

智能化方法能模拟人的经验，逼近非线性，具有自组织、自学习功能，并且具有一定的容错能力。

2）路径规划的性能指标将不断提高。

这些性能指标包括实时性、安全性和可达性等。

比如路径规划技术应用于移动机器人，一个性能指标不好的方法即使它能使移动机器人走出完美的轨迹也将被淘汰，而有些方法没有高深的理论，但计算简单，实时性、安全性好，就有存在的空间。

如何使性能指标更好是路径规划各种算法研究的一个重要方向。

3）多规划体系系统的路径规划。

协调路径规划已成为新的研究热点，随着应用不断扩大，规划体工作环境复杂度和任务的加重，对其要求不再局限于单规划体，而是要求在动态环境中实现多规划体的合作与单规划体路径规划的统一。

4）多传感器信息融合用于路径规划。

规划体在动态环境中进行路径规划所需信息是从传感器得来的，单传感器难以保证输入信息准确与可靠，多传感器所获得信息具有冗余性、互补性、实时性和低代价性，且可以快速并行分析现场环境。

移动机器人的多传感器信息融合是当今一个比较活跃的研究领域。

1．3研究的依据和意义

路径规划一直是国内外学者研究的重点课题，哪条路径是最优的，怎样选择最优的路径，如何在最短的时间内选出最优的路径，各国学者对其进行了大量的研究工作。

在20世纪50年代就已经出现了关于路径规划的算法，可是那时的算法不是很好，需要消耗很多的时间和空间；现在我们追求的是，如何在比较少的时间和空间消耗内，计算出最优的路径。

该课题的目的就是为了解决这样的问题。

针对路径规划的实用性，在本文中提出了一种新的路径规划处理算法，这种算法有助于提高寻找最优路径的时间效率和空间效率。

1．4研究的思路和方法

本文研究的基本思路是:

根据现有的资料，从算法实现的角度出发，首先对改算法的应用背景及应用情况进行了解认识，在此基础上对模拟实现工具进行选取和学习，借鉴现有的理论研究和实践成果，结合现有国内研究情况进行深入探讨。

全面系统地学习实现和改进算法的相关理论知识和技术手段，然后设计整体结构，从整体的角度进行分析，从设计思想，设计目的进行详尽的规划，从而在此基础上逐步完成算法的实现与改进工作。

1．5主要研究内容

本课题研究的主要内容是一种路径规划算法的改进与设计。

具体的实现如下：

在一个布满障碍物的地图上，过凸极值点划分区域；在相应的区域中抽象出一个点来对应各区域，画出连通无向图；根据对应的权值找出最优路径。

2系统规划和系统分析

2．1系统目标设计

通过学习课题相关的理论知识，进行必要的调研和查阅相关的资料，了解曲线拟合和路径规划的特征与本质。

在布满障碍物的地图上，采用拟合曲线对障碍物进行模拟，然后过拟合曲线的凸极值点做水平切线划分区域，在相应的区域中抽象出一个点来对应各区域，画出连通无向图；根据对应的权值，找出最优的路径。

我们的最终目标是将以上提出的方案变为实际的算法。

2．2可行性研究

可行性研究随着科学技术发展和相关管理学科的研究深入而逐步完善，并日渐发展成为一门综合性研究学科。

所谓可行研究，简单点说就是以最小的代价，在尽可能短的时间内分析研究，以确定问题是否能够解决，是否值得去研究。

现在就对本算法的技术可行性进行简单的分析。

该系统开发采用的技术是HTML5，因此需要支持HTML5的浏览器，目前大部分主流的浏览器都已经开始支持HTML5了，如CHROME、FIREFOX、IE9及其以上版本等等。

采用的JavaScript脚本语言作为编程语言，使用JCanvaScript作为画图工具包，jCanvaScript是一个面向HTML5画布（canvas）的Javascript类库，它提供了许多方法用于简化处理HTML5画布（canvas）元素的内容。

障碍物的拟合与最短路径的查找已经有了很多成功的案例。

所以此系统在技术上是可行的。

2．3拟采用的研究途径

2．3．1拟合曲线的选择与实现

地图中的障碍物，我们采用三次贝塞尔曲线进行模拟。

贝塞尔曲线是依据四个位置任意的点坐标绘制出的一条光滑曲线，随着点有规律地移动，曲线将产生皮筋伸引一样的变换，带来视觉上的冲击。

1963年，法国数学家PierreBézier第一个研究了这种矢量绘制曲线的方法，并给出了详细的计算公式，因此按照这样的公式绘制出来的曲线就用它的姓氏来命名是为贝塞尔曲线。

贝塞尔曲线的操作特点是通过鼠标在面板上放置各个锚点，根据锚点的路径和描绘的先后顺序，产生直线或者曲线的效果。

我们都知道路径由一个或多个直线段或曲线段组成。

锚点标记路径段的端点。

在曲线段上，每个选中的锚点显示一条或两条方向线，方向线以方向点结束。

方向线和方向点的位置确定曲线段的大小和形状。

2．3．2过凸极值点做水平切线

凸极值点是函数图象的某段子区间内极大值的横坐标，极值点出现在函数的驻点或不可导处；极值点上函数的导数为零或不存在，且函数的单调性必然变化。

若一个函数的某一点存在某一邻域，在该邻域内函数处处都有定义，而该点的函数值为最大（小），则该函数在该点处的值就是一个极大（小）值。

如果它比邻域内其他各