[發明專利]面向感知受限的集群機器人極簡化自組織擴散方法及系統

在審

• 申請號: 202310635287.4
• 申請日: 2023-05-31
• 公開（公告）號: CN116638516A
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發明（設計）人: 彭星光;張朝;郭新宇;宋保維;潘光;李樂;張福斌;高劍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 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: 云燕春

本發明一種面向感知受限的集群機器人極簡化自組織擴散方法及系統，屬于機器人技術領域；方法步驟為，安裝各單機感知模塊；啟動擴散指令，由單機上的控制中心根據感知模塊發送的信號，觸發運動執行模塊；運動執行模塊根據簡化自組織擴散模型P＝(vsubgt;o/subgt;,ωsubgt;o/subgt;,vsubgt;l/subgt;,L)進行運動，直到集群中所有機器人的感知距離內都不存在感知目標，即完成擴散；本發明解決了集群機器人在水中等復雜環境下，無法進行信息交流、無全局定位能力、感知能力極低、機器人計算能力極低情況下的自組織擴散問題，將量程范圍內是否存在感知目標作為擴散執行條件，在簡化通訊、控制設備的同時，縮短了響應時間，各機器人能夠及時做出位置調整，保證了在目標區域內的均勻覆蓋和擴散的及時性。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種面向感知受限的集群機器人極簡化自組織擴散方法及系統。

背景技術

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，特別是多機器人協作成為提高解決復雜任務效率的有效途徑。傳統的中心控制方式對所有機器人行為進行統一規劃，當協作機器人規模較大時，中心控制方法的容錯能力不足，難以對突發因素做出及時響應。集群機器人研究的快速發展為上述困難的解決提供了可行方案。

在集群機器人的研究當中，集群機器人的一些基本的行為，例如，聚集、擴散、避障等是研究集群機器人系統控制的基礎性研究問題。研究機器人群體的一些基本的群集行為算法是集群機器人系統應用中的一個前提或基礎工作。而在集群機器人系統的應用中，機器人群體的擴散行為往往是完成其它任務的前提或重要的基礎工作。例如，一群機器人被空投到某個陌生的區域內執行探測或收集信息的任務，開始時便需要進行擴散。在群體機器人系統中，研究如何使群體機器人擴散是必要的。

在水下進行無線通信非常困難，關鍵原因在于常用的通信頻率都在水分子的吸收范圍內。水是一種極性分子，其正負電荷中心不重合，因而可以在電磁波中的電場作用下發生指向變化。一旦電磁波的頻率和水分子固有的多種振動頻率接近，水分子就能吸收電磁波中的大部分能量轉化為自身的振動。常用的通信電磁波頻率幾乎都在水分子的吸收頻率范圍內，導致電磁波在水中的衰減非?？?。此外，水下的噪聲、多徑效應和水下環境復雜等因素也會對水下無線通信的可靠性產生不利影響。因此，對于海洋探測、海洋資源開發以及軍事偵察等領域，如何解決水下通信的問題一直是一項難題。因此，由于水下通信嚴重受限的問題，陸空所用的集群機器人自組織控制方法無法完美的適用于水下等復雜環境，使得集群機器人系統在應用于水下復雜環境時顯著增加了成本和操控中心的復雜性。

常規情況下，集群機器人系統要求每一個機器人系統簡單、成本低，因此集群機器人無法安裝高成本、大功率、高性能的定位、通信、感知以及計算設備。當集群機器人應用于水中等復雜環境下時，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，所以它們只能利用的受到限制的感知、通信能力和有限的計算能力實現相互的協作以完成全局的任務。因此，研究在復雜環境中無相互通信、無全局位置信息的情況下，面向感知受限情況下的集群機器人極簡化自組織擴散方法很有必要。

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，本發明提供一種面向感知受限的集群機器人極簡化自組織擴散方法，是一種能夠通用于水陸空等復雜環境中集群機器人的擴散方法，適用于幾個機器人到幾百個機器人的不同規模集群機器人群體。該方法不需要全局定位信息和機器人之間的相互通信，只需要機器人搭載一個感知模塊探測周圍的環境信息，用來判斷本機設定范圍內有無其他機器人，根據判斷結果輸出執行指令，從而實現機器人群體的自組織擴散，極大的降低了對機器人計算能力和感知能力的需求。本發明解決了集群機器人在水中等復雜環境下，無法進行信息交流、無全局定位能力、感知能力極低(只能分辨某個方向上其他個體的有無)、機器人計算能力極低情況下的自組織擴散問題，將量程范圍內是否存在感知目標作為擴散執行條件，在簡化通訊、控制設備的同時，縮短了響應時間，各機器人能夠及時做出位置調整，保證了在目標區域內的均勻覆蓋和擴散的及時性。