[發明專利]一種多移動機器人在安防領域中協作搜索與圍捕方法

有效

• 申請號: 202010012919.8
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111190420B
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 王東;郝運凱;連捷;王宏偉
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

1.一種多移動機器人在安防領域中協作搜索與圍捕方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、移動機器人平臺的搭建，移動機器人移動底盤采用Kobuki基座，Kobuki基座上設置有兩層亞克力板與Kobuki基座形成三層空間，Kobuki基座與第一層亞克力板之間安裝有貝視特工業移動電源，容量為50000mAh；第一層與第二層亞克力板之間正中心固定有NVIDIA JETSON TX2開發板、在第一層與第二層亞克力板之間且靠近移動機器人正前方方向安裝有Intel RealSense ZR300攝像頭；在第二層亞克力板上面正中心處安裝有矩形盒，矩形盒上面固定有RPLidar A3激光雷達、第二層亞克力板后方懸掛有工業液晶顯屏；所述NVIDIA JETSON TX2開發板上安裝有Ubuntu16.04、Ubuntu16.04上安裝有ROS、OpenCV依賴庫、SLAM功能包、Navigation功能包及相關硬件驅動程序；

步驟2、移動機器人通信網絡的構建，移動機器人在工作區域通過覆蓋的局域網絡進行通信，通信采用Socket完成，Socket具體創建過程如下：

(1)服務器端，包括使用socket()函數創建套接字，使用bind()函數綁定IP地址和端口號到創建的套接字上，使用listen()函數監聽對應的端口號，使用accept()函數接收客戶端連接，使用read()和write()函數收發數據及使用close()函數關閉套接字；

(2)客戶端，包括使用函數socket()創建套接字，使用connect()函數連接到服務器，使用read()和write()函數收發數據及使用close()函數關閉套接字；

(3)成功創建上述套接字后，移動機器人之間進行通信，通信的信息主要有移動機器人在全局2D地圖中的位置信息，攝像頭獲得目標物體中心點的深度信息，移動機器人與后臺監控系統之間通信的信息主要是攝像頭的圖像信息數據；

步驟3、后臺監控系統界面的設計，針對移動機器人在安防領域中的應用，基于QT設計了后臺監控系統界面，具體包括以下子步驟：

(a)移動機器人啟動攝像頭驅動程序，訂閱相機發布的消息，將相機話題中的消息顯示在客戶端的ROS-GUI界面中，并將相機發布的消息進行圖像壓縮，通過步驟2創建的通信網絡傳送給后臺監控系統；

(b)后臺監控系統將接收到的圖像消息進行解壓，并在QT界面中顯示形成后臺監控系統界面；

步驟4、目標物體的檢測，具體包括以下子步驟：

(a)目標物體裝配有顏色靶標作為其特征信息，首先進行圖像預處理，將RGB色彩空間圖像轉化為HSV色彩空間，然后將HSV色彩空間的圖像按照特定顏色的色調、飽和度、亮度進行閾值分割并對形成的二值圖做直方圖均衡化、濾波；接著，對二值圖進行形態學開操作，去除小的黑色區域，再對二值圖進行形態學閉操作，最后提取二值圖有效輪廓；

(b)取目標物體的中心點作為計算點，將該點在圖片中的像素坐標(u,v)，轉換到圖像坐標系下為(x,y)，轉換關系通過式(1)進行描述，

式中，dx表示每個像素在x軸上的物理尺寸，dy表示每個像素在y軸上的物理尺寸，(u₀,v₀)表示圖像坐標系的原點在像素坐標系下的坐標；

(c)將圖像坐標系下的坐標(x,y)轉換到相機坐標系[Xc,Yc,Zc]^T，轉換關系通過式(2)進行描述，

式中，f表示焦距，[x,y,1]^T表示歸一化后的圖像物理坐標；

(d)將目標物體的中心點在相機坐標系下的坐標轉換成為相對于2D全局地圖的坐標[X_GY_G]^T，通過式(3)進行描述，

式中，[X_R Y_R]^T為移動機器人在2D全局地圖中的坐標，Φ表示移動機器人方向與坐標系之間的夾角，Zc表示攝像頭目標物體中心點的深度信息即目標物體中心點相對于攝像頭的距離，θ表示移動機器人與目標物體中心點的夾角，[x_δ y_δ]^T表示由于攝像頭的裝配位置以及其他因素引起的誤差；

步驟5：移動機器人在工作區域巡檢，具體包括以下方面內容：

(1)依次在Ubuntu16.04系統終端下啟動Kobuki基座驅動程序、鍵盤控制程序、RPLidar-A3激光雷達和Cartgropher建圖程序，借助于鍵盤控制Kobuki基座在整個工作區域移動，使RPLidar-A3掃描出整個工作區域的二維地圖，再將二維地圖保存下來供后續導航及其他環節使用；

(2)按照有效覆蓋面積最大原則指定移動機器人在二維地圖中初始位置并選取二維地圖中的多個點為移動機器人導航目標點，用于約束移動機器人全局路徑規劃的解空間，使移動機器人能夠按照順時針方向在工作區域實現連續性導航，移動機器人在當前目標點導航到下一目標點過程中，不會繼續發送新的導航任務，只有到達下一目標點，才會繼續發送導航任務進行下一路段導航，這里采用動作服務器機制來實現；

(3)利用Dynamic-Reconfigure設置移動機器人在各段區間的運行速度，一方面可以借助于動態參數配置客戶端手動調節移動機器人導航速度，另一方面編寫程序訂閱移動機器人位姿根據移動機器人所處當前路段自動設置移動機器人導航速度，長路段設置速度為0.4m/s，短路段設置速度為0.2m/s；

(4)在移動機器人的各個導航目標點處，控制移動機器人以合適的角速度旋轉使移動機器人獲得周圍360度視野，減輕了固定相機的弊端；

步驟6：目標物體的跟蹤，移動機器人通過步驟4和步驟5在工作區域巡檢，發現目標物體后，由于目標物體具有一定的動態性，因此，需要通過跟蹤實現移動機器人對目標物體的跟隨，具體包括以下子步驟：

(a)以圖像物理坐標系的中心坐標為給定值，被控對象為移動機器人速度控制器，被控量為移動機器人的速度，建立控制系統模型，設計目標物體跟蹤控制器；

(b)由于比例控制、積分控制、微分控制分別具有快速響應、消除殘差、扼制變化的作用，因此，目標物體跟蹤控制器采用PID控制策略，即比例積分微分控制，并取得了好的跟蹤控制效果，這里傳遞函數，通過式(4)進行描述，

其中K_p表示比例環節放大倍數、T_i表示積分時間常數、T_d表示微分時間常數；

步驟7：多移動機器人編隊控制，具體包括以下子步驟：

(a)某個移動機器人發現目標物體后，借助于步驟2構建的通信網絡發送給其它移動機器人消息，發送的消息主要有目標識別的狀態標識位、移動機器人編號、深度距離、移動機器人在二維地圖中的位置；

(b)其它移動機器人接收到發現目標物體的信息，根據接收到的各項信息以及自身的編號確定自身在二維地圖中相對于發現目標物體的移動機器人的位置；

(c)發現目標的移動機器人作為領航者，其它移動機器人作為跟隨者，三者之間形成三角形編隊隊形將目標物體圍捕起來，借助于步驟6的目標物體的跟蹤使目標物體位于多移動機器人編隊隊形的中央。