[發(fā)明專利]基于二值化環(huán)境信息的欠驅(qū)動機器人自組織聚集方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710764567.X
• 申請日: 2017-08-30
• 公開（公告）號: CN107589743B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭星光;潘光;劉明雍;嚴衛(wèi)生;劉巖;張福斌;崔榮鑫;張立川;高劍
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發(fā)明提出一種基于二值化環(huán)境信息的欠驅(qū)動機器人自組織聚集方法。在整個算法的實現(xiàn)過程中機器人只需要一個傳感器去探測周圍的環(huán)境信息，用來判斷傳感器范圍內(nèi)有無其他機器人，從而實現(xiàn)群體機器人的自組織聚集。機器人的傳感器的狀態(tài)簡化成I＝0和I＝1兩種狀態(tài)。I＝0代表機器人的傳感器范圍內(nèi)沒有其它的機器人；I＝1代表機器人的傳感器范圍內(nèi)有其它的機器人。當機器人的傳感器狀態(tài)I＝0時，機器人向后沿著順時針的圓軌跡做勻速圓周運動；當機器人的傳感器狀態(tài)I＝1時，機器人向前沿著順時針的圓軌跡做勻速圓周運動。機器人通過兩種狀態(tài)的不斷切換，從而能實現(xiàn)機器人的自組織聚集。同時，本文也給出了算法可以實現(xiàn)自組織聚集的數(shù)學(xué)證明，從理論上證明了算法的可行性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明為一種自組織聚集的群集算法，特別適用于欠驅(qū)動的群體機器人。同時本算法也適用于全驅(qū)動的機器人。

背景技術(shù)

在群體機器人的研究當中，作為群體生物基本行為的聚集行為，被認為是群體機器人系統(tǒng)應(yīng)當具備的基本的群體行為，也是研究群體機器人系統(tǒng)控制的一個基礎(chǔ)性研究問題。許多研究人員致力于研究如何使群體機器人進行自組織聚集運動。研究群體機器人的自組織聚集是群體機器人系統(tǒng)應(yīng)用中的一個前提或基礎(chǔ)工作。在群體機器人系統(tǒng)中，研究如何使群體機器人自組織聚集和擴散是必要的，原因有如下兩點：

第一，在群體機器人系統(tǒng)的應(yīng)用中，機器人聚集往往是完成其它任務(wù)的前提或重要的基礎(chǔ)工作。因為在群體機器人系統(tǒng)中，個體機器人的傳感能力、通信能力和計算能力都是非常有限的，所以它們只能利用局部的感知和通信能力實現(xiàn)相互的協(xié)作以完成全局的任務(wù)，這就要求個體機器人在相互很近的范圍內(nèi)才能進行通訊和協(xié)作，因此機器人聚集往往就成為群體機器人系統(tǒng)應(yīng)用中的一個前提或基礎(chǔ)工作。比如，一組小機器人在某個區(qū)域分散開來執(zhí)行探索信息任務(wù)，在探索完成之后，機器人需要聚集在一起，以便列隊共同前往下一個探索區(qū)域或者便于機器人的回收工作。再以軍事場景為例，一群機器人被空投到某個陌生的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行探測或收集信息的任務(wù)，開始時需要進行擴散；完成探測后，機器人需要聚集起來。

第二，其研究的核心意義在于，依靠龐大數(shù)量個體協(xié)調(diào)組織成群體機器人系統(tǒng)可以完成單一機器人無法完成的復(fù)雜任務(wù)，同時簡單個體構(gòu)成的群集系統(tǒng)的設(shè)計成本要遠遠低于同等能力的單體機器人。因為群體機器人系統(tǒng)要求每一個機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本低，機器人也不需要裝備類似GPS這樣昂貴的定位設(shè)備，并且在未知的環(huán)境中，比如深海中，全局的位置信息的獲取是非常困難的。例如，在一定區(qū)域進行目標搜索，使用群體機器人的效率是要高于單個機器人的；在進行信息采樣等，群體機器人的效率也是要高出很多，同時還能確保任務(wù)順利完成。因此，研究群體機器人自主自組織的聚集是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服各種復(fù)雜多變的環(huán)境對群體機器人自組織運動控制帶來的問題，本發(fā)明提出了一種基于二值化環(huán)境信息的欠驅(qū)動機器人的自組織聚集算法，無需機器人之間通信和定位信息，在整個算法的實現(xiàn)過程中機器人只需要一個傳感器去探測周圍的環(huán)境信息，用來判斷傳感器范圍內(nèi)有無其他機器人，從而實現(xiàn)群體機器人的自組織聚集。同時，本文中的算法不需要GPS定位和機器人之間相互通信，算法具有很好的魯棒性和擴展性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種基于二值化環(huán)境信息的欠驅(qū)動機器人自組織聚集方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：機器人通過自身傳感器感知周圍是否有其它機器人，定義狀態(tài)I＝0代表機器人自身傳感器范圍內(nèi)沒有其它機器人，狀態(tài)I＝1代表機器人自身傳感器范圍內(nèi)有其它機器人；所述其它機器人指進行自組織聚集的群體機器人中的一個或多個機器人；

步驟2：機器人根據(jù)自組織聚集控制模型

P＝(ν₀,ω₀,ν₁,ω₁)

進行運動，且在運動過程中，機器人根據(jù)設(shè)定的采樣周期尺寸判斷自身狀態(tài)I：