[發明專利]一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航方法

有效

• 申請號: 202111336719.9
• 申請日: 2021-11-12
• 公開（公告）號: CN114088096B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 劉明雍;方一帆;朱海;牛云;宋立威
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航方法，是針對傳統分布式協同導航算法中的機器人交互隊友數過多，導致機器人計算負荷過重的問題。受生物交互行為啟發，提出一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航算法，通過設定四種簡單的交互行為規則，并規定機器人只與位于其感知區域內特定數量的機器人進行交互，使群機器人系統能夠以更少的鄰域隊友數據信息做出運動決策，實現群機器人系統穩定有序的完成協同導航任務。本發明相較傳統分布式群機器人協同導航算法而言，機器人計算能力要求更低。

技術領域

本發明屬于群機器人控制領域研究，涉及一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航方法。

背景技術

群機器人協同導航技術是群機器人系統研究中的一個重要方向。旨在：保持機器人群體穩定有序的前提下，從起始點出發運動至目標點。在運動的過程中能夠規避環境中的障礙物。群機器人協同導航技術是群機器人系統開展多任務合作、執行多目標監控和跟蹤、實施環境探測等任務的重要基礎。目前主流的分布式群機器人協同導航算法采用的是：所有機器人都配備等精度的測量設備，機器人會根據需要，在預先設定好的感知范圍內不斷廣播自身相關信息，在通過協同算法完成各自位置的更新。

傳統分布式協同導航算法具有較好的穩定性和擴展性，能夠保證個別機器人受損的情況下，群機器人系統整體運動不會中斷。在傳統分布式協同導航算法中，機器人通過簡單的交互規則，形成一個有序運動的集群系統，從而完成協同導航任務。導航過程中，機器人需要通過自身攜帶的雷達、攝像頭的傳感器獲取自身感知范圍內所有機器人的數據，并將這些數據作為計算自己下一步運動決策的參考。當群機器人系統密度比較大時，機器人獲取的數據信息量會變得巨大，導致機器人計算負荷過重等問題。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航方法，針對傳統分布式協同導航算法中的機器人交互隊友數過多，導致機器人計算負荷過重的問題。受生物交互行為啟發，提出一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航算法，通過設定四種簡單的交互行為規則，并規定機器人只與位于其感知區域內特定數量的機器人進行交互，使群機器人系統能夠以更少的鄰域隊友數據信息做出運動決策，實現群機器人系統穩定有序的完成協同導航任務。本發明相較傳統分布式群機器人協同導航算法而言，機器人計算能力要求更低。

技術方案

一種基于鄰域選擇性交互的群機器人協同導航方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：集群機器人系統中“領航者”機器人運動目標點的標定，以及所有機器人初始化參數的配置，包括交互域半徑、運動速度s、結隊分量權重ω、最大交互隊友個數M；

步驟2：機器人通過攜帶的傳感器設備對周圍區域內的其他機器人和環境進行感知，并記錄下感知區域內所有機器人的位置信息和運動方向信息；如果環境中存在障礙物，還會記錄障礙物的方位和距離信息；

步驟3：每個機器人對感知域內的機器人數量進行統計，判斷鄰居機器人數量n是否超過算法設定的最大交互隊友數M：如果n＞M，則依據“距離優先原則”，在n個鄰居中選出距離最近的M個鄰居機器人作為當前時刻的交互隊友，如果n＜M，則將當前感知到的所有鄰居機器人作為交互隊友；

步驟4：每個機器人計算其下一時刻的運動方向，從而調整機器人之間的相對位置，確保集群機器人群體穩定有序；

計算公式為：

其中：v_i(t+Δt)為機器人i在t+Δt時刻的運動方向；ω是結隊分量權重；和分別是機器人i在t時刻受鄰居影響下產生的排斥、組隊、聚集的三個運動分量和在障礙物影響下產生的避障運動分量；

所述四個運動分量的表達式如下：