[發(fā)明專利]一種實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法、系統(tǒng)

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• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111813108A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 力上民;韓旭泰;胡核算;馬艷
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 何畏

本發(fā)明屬于協(xié)同控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法、系統(tǒng)，機(jī)器人對障礙物進(jìn)行精確定位，當(dāng)與其他機(jī)器人通信時需要將其探測到的情況通報，收到通報的機(jī)器人對收的信息和自己探測到的信息甄別和選擇；機(jī)器人進(jìn)行通信后檢索到兩障礙區(qū)的位置不同，則將其按兩障礙塊處理進(jìn)行互補(bǔ)，分析后認(rèn)為可通行區(qū)域為兩障礙區(qū)間的空白區(qū)域；機(jī)器人定位的障礙區(qū)一致，可通行區(qū)域也是一致的。本發(fā)明根據(jù)可通行區(qū)域的寬度決定系統(tǒng)目標(biāo)隊形的結(jié)構(gòu)和尺寸，代替機(jī)器人初始化時確定有限個隊形的方法，更好的環(huán)境適應(yīng)性；在隊形變換中仍舊使用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方式讓每個機(jī)器人尋找最優(yōu)點，在該點形成目標(biāo)隊形，以此隊形穿過障礙區(qū)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于協(xié)同控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法、系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，多機(jī)器人系統(tǒng)是一種多個機(jī)器人在給定的環(huán)境中一起工作來完成某些給定的任務(wù)。相對于單個機(jī)器人，其表現(xiàn)出較多的優(yōu)點，例如增加空間覆蓋率和時間的吞吐量以及降低解決任務(wù)的復(fù)雜性，提升解決效率和能力。多機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。如自動制造、柔性生產(chǎn)、搜索營救、環(huán)境監(jiān)測、安全健康等。到目前為止，人類對機(jī)器人的研究已經(jīng)取得卓越的成就，但是很多技術(shù)都是基于單個機(jī)器人，其數(shù)量上的限制導(dǎo)致對任務(wù)的選擇有很大的局限性，單個機(jī)器人很難完成一些復(fù)雜的任務(wù)。相對于單個機(jī)器人，多個機(jī)器人可以協(xié)調(diào)合作完成單一機(jī)器人難以完成的任務(wù)，比如在水下進(jìn)行營救作業(yè)時單個機(jī)器人無法保證平衡性，但是多個機(jī)器人的合作不僅可以增加穩(wěn)定性還可以保證有足夠的力量從水下將救援對象拖出水面，提升了救援成功的可能性。另外，多機(jī)器人還可以應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)督、自動搬運和雷區(qū)映射等場景。正是多機(jī)器人此種無法被替代的特點吸引了眾多研究學(xué)者的研究，用來彌補(bǔ)單個機(jī)器人的不足。

針對多機(jī)器人的隊形控制，包括隊形形成、隊形保持和隊形變換，眾多學(xué)者提出了多種實施方法，包括領(lǐng)航-跟隨法、基于行為法、人工勢場法、虛擬結(jié)構(gòu)法等。領(lǐng)航-跟隨法操作方便，多機(jī)器人系統(tǒng)的運動規(guī)劃主要依賴于領(lǐng)航機(jī)器人，其他機(jī)器人只需獲取領(lǐng)航機(jī)器人發(fā)送的行為指令。由于整個系統(tǒng)只有領(lǐng)航機(jī)器人進(jìn)行探測和決策，該方法的跟蹤誤差反饋較差，當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)比較龐大時該方法不適用。基于行為法將機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)分解為多個行為的集合，通過給不同的行為配置不同的權(quán)值實現(xiàn)不同的任務(wù)，該方法可以獲得實時的反饋，但是權(quán)值的選取難以確定。人工勢場法將環(huán)境模擬為一個勢場，存在斥力和引力，機(jī)器人與終點位置存在吸引力，與障礙物存在斥力，并且這些力的大小與距離遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，機(jī)器人的運動是各種力的矢量之和，該方法建模簡單，容易計算，但是容易出現(xiàn)零勢能點，只能找到局部最小點，無法到達(dá)目標(biāo)位置。虛擬結(jié)構(gòu)法將機(jī)器人系統(tǒng)形成的隊形虛擬為一個剛體結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人前進(jìn)過程中各機(jī)器人追隨自己剛體虛擬位置，該方法比較容易分配機(jī)器人的行為，但是在障礙物比較多的環(huán)境中不適用。

通過上述分析，分布式控制的意義在于，系統(tǒng)中的機(jī)器人獨立決策，獨立執(zhí)行，并且機(jī)器人間有通信，機(jī)器人間的通信可以互補(bǔ)信息，在每一個位置機(jī)器人可以獲得更全面的環(huán)境信息，減少探測環(huán)境時的誤差；機(jī)器人間通信可以處理一致性問題，機(jī)器人了解了對方的信息狀態(tài)后，可以更好的決定自己的行為，最終達(dá)到合作的效果，在多障礙物的環(huán)境中可以有更好的表現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法、系統(tǒng)。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法，所述實時分布式多機(jī)器人隊形控制方法包括：

機(jī)器人對障礙物進(jìn)行精確定位，當(dāng)與其他機(jī)器人通信時需要將其探測到的情況通報，收到通報的機(jī)器人對收的信息和自己探測到的信息甄別和選擇；

當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)識別和定位障礙區(qū)后，機(jī)器人通過分析障礙區(qū)可穿行區(qū)域與機(jī)器人前進(jìn)方向上的最大寬度之比d，考慮變換何種隊形，盡可能的在時間和耗能上減少浪費，最后到達(dá)目標(biāo)區(qū)域。