一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法
2023-07-10 10:52:51
專利名稱：一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法
一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法技術鄰域本發明涉及一種任意隊形的移動群機器人密度控制方法，屬於移動多機器人技術 鄰域中的隊形控制技術領域。
背景技術：
群移動群機器人系統是由數量眾多的微小型移動機器人組成的，適合於偵察、救 援等協作鄰域的應用。如何有效組織數量眾多的微小型機器人協同工作是群移動群機器人 系統一個重要的課題。在完成任務的過程中，為了有效控制移動機器人之間的間距，以保證 機器人群體的通訊覆蓋範圍和感知覆蓋範圍，要求機器人之間不至過於分散，同時，又不至 於過度擁擠而造成碰撞，這是微小型移動群機器人系統應用的基礎問題之一。目前，基於多 機器人的隊形控制問題主要是特定的剛性幾何形狀而進行的。此類方法存在的問題是隊 形不具備動態調整的能力，靈活性差，在未知環境中的適應性能力不強，移動機器人的密度 不進行專門控制等，造成通訊可能中斷或感知範圍得不到保障。
發明內容
本發明解決了移動機器人進行過程中機器人密度保持問題，解決了傳統多機器人 隊形控制方法在先進過程中機器人密度控制與隊形變換衝突的問題，同時，改善了傳統方 法對未知環境的適應性。該一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，其實現步驟如下步驟一、移動機器人的聚群移動機器人檢測附近的機器人，統計其感知鄰域內的 夥伴數目及分布方位，並向機器人數量較多的方位作為移動方向前進一步，反覆執行此過 程直到機器人聚群；步驟二、設定群移動機器人的前進目標點，在各機器人上根據機器人與目標點之 間的距離關係施加一個目標對機器人的目標吸引虛擬力；如果移動機器人之間距離小於預 設值或當障礙物在其排斥範圍內時，在機器人上再施加一個虛擬排斥合力，機器人在行進 過程中，每一步移動步長根據目標吸引虛擬力、虛擬排斥合力和擁擠因子的變化而變化；步驟三、移動機器人群的密度發生變化時，如果移動機器人之間相對位置處於可 壓縮範圍之外，則進行調整如果移動機器人的密度過於擁擠，移動機器人則通過彈簧模型 相互排斥；如果過於分散，則轉步驟一，執行聚群行為；當移動機器人間的相對位置處於可 壓縮範圍內，則無需調整；步驟四、檢測群移動機器人是否到達目標位置，若到達目標位置，則整個運動過程 結束；否則，轉步驟一。步驟一中移動機器人通過安裝在自身周圍的傳感器檢測附近鄰域內的機器人。步驟二中合力為機器人之間的排斥力與障礙物的排斥合力，大小與機器人之間的 距離和機器人到障礙物的距離成比例。本發明的有益效果
本發明採用基於有限壓縮範圍的彈簧模型進行群移動機器人的密度控制，不採用 固定的機器人隊形，通過引入擁擠因子和虛擬力保證節點不至過於分散和過於擁擠，從而 保證群移動機器人具有較為均勻的密度，使得群機器人具有較高的通訊和感知範圍度。本發明通過擁擠因子調節機器人過於分散的問題，通過可壓縮範圍的機器人彈簧 模型調節機器人過於擁擠或與障礙物之間過於接近易發生碰撞的安全距離。採用本發明進 行群機器人的運動控制，群移動機器人的隊形不固定，可適應未知環境下的移動機器人密 度保持，使得群移動機器人的通訊和感知範圍得以有效保障，克服了單個機器人易發生掉 隊的現象。採用本發明的方法，使得群移動機器人具有自動化程度高，機器人密度可控，可 根據運動環境進行任意隊形組合，從而保證了未知環境下群移動機器人的密度等特點。
圖1移動機器人的可壓縮彈簧模型圖2移動機器人的聚群行為示意3任意隊形的群移動機器人密度保持流程圖
具體實施例方式所述的一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法中，移動機器人具有感知鄰域 內其它機器人和障礙物的能力，具有和其夥伴機器人通訊的能力。其模型如下首先，建立移動機器人的有限壓縮彈簧模型。根據移動機器人的工作特點，採用有 限壓縮的彈簧模型(有限壓縮範圍為一個環形帶區域)，建立移動機器人的作用場，原理如 圖1所示1)人為設定目標點位置後，對移動機器人施加一個目標吸引虛擬力，移動機器人 受到目標點的吸引力大小與距離的關係成正比，方向為機器人與目標點連線的方向。2)當移動機器人由於碰到避障物或其它原因導致移動機器人間的距離過於接近 時，移動機器人與移動機器人之間或移動機器人與障礙物之間產生虛擬排斥力，以保證移 動機器人運動時的安全距離。當機器人處於相互排斥的範圍時，其所有排斥力範圍內的移 動機器人或障礙物的合斥力大小與距離成反比，方向為法線方向。3)綜合情形1)和2)，移動機器人在運動場中的作用合力為目標吸引虛擬力與虛 擬排斥力的合成。通過移動機器人的有限壓縮彈簧模型，可以較好地控制移動機器人間的彈性安全 距離，從而實現移動機器人密度的控制；同時，還可以控制移動機器人與障礙物之間的距 離，避開障礙物。其次，移動機器人的每一步移動步長更新。移動機器人的最大移動步長為η ； δ 為擁擠度因子，與機器人鄰域內的機器人夥伴數目成正比。如圖2所示，(a)-(c)為移動機器人加入移動機器人群的過程示意圖，其中(d)為 最終移動機器人聚群效果圖。移動機器人i搜索當前感知鄰域內的夥伴數目及其位置分布，夥伴數目與擁擠度 因子Si成正比。移動機器人以機器人數目最多的方向為移動方向，該方向表明有較多的 夥伴移動機器人並且不太擁擠，移動機器人朝該方向前進一步。當移動機器人處於有限壓4縮範圍內時，停止移動，而進行平衡狀態。移動機器人的位置更新為i +1 =Xl + cl. Rand(I) - Si- η + c2 - η - Fi(1)其中，i = l，2，3，…，n(n為移動機器人總數)，cl、c2為加速係數，SiS移動機 器人i的擁擠度因子，Rand(I)為隨機因子，々和為機器人當前時刻的位置和下一時 刻的位置。步驟一、二、三所述的一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，其具體實現過 程如下步驟一的具體實現過程如圖2、3所示，移動機器人通過安裝在自身周圍的傳感 器檢測附近鄰域內的機器人，統計其感知鄰域內的夥伴數目及分布方位，鄰域內的夥伴機 器人數目越多，則其擁擠度因子δ越大。移動機器人選擇感知鄰域內的機器人數量較多的 方位作為移動方向，該方向表明是夥伴機器人的中心有較多的機器人且不太擁擠，則移動 機器人向夥伴的中心位置方向前進最大步長n。反覆執行此過程後，直到所有的移動機器 人處於可壓縮彈簧模型的平衡範圍時，最終移動機器人的聚群實現。最終移動機器人的群 聚狀態如圖3(d)所示。步驟二的具體實現過程1)在聚群實現後，通過人為設定群移動機器人的前進目標點。此後，在各機器人上 根據機器人與目標點之間的距離關係施加一個目標對機器人的目標吸引虛擬力；2)如果移動機器人之間過於擁擠或當障礙物在其排斥範圍內時，此時，在1)的基 礎上給機器人再施加一個虛擬排斥合力，此合力為處於排斥範圍內機器人之間的排斥力與 障礙物的排斥合力，大小與機器人之間的距離和機器人到障礙物的距離成比例，並將虛擬 合力作為式中第三項調節步長的因子。3)按式(4)考慮虛擬引力和擁擠度因子後更新移動步長，並按該步長前進一步。步驟三的具體實現過程在進行過程中，各移動機器人的相對位置可能發生變化，移動機器人群的密度也 隨之發生了變化。1)如果移動機器人之間相對位置處於可壓縮範圍之外，為了保持移動機器人間的 間距，則應進行調整如果移動機器人的密度過於擁擠，移動機器人則通過彈簧模型相互排 斥；如果過於分散，則轉步驟一，執行聚群行為。2)當移動機器人間的相對位置處於可壓縮範圍內，則無需調整，減小了移動機器 人的振蕩；3)檢測群移動機器人是否到達目標位置，若到達目標位置，則整個運動過程結束； 否則，轉步驟一。權利要求
1.一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，其特徵在於實現步驟如下 步驟一、移動機器人的聚群移動機器人檢測附近的機器人，統計其感知鄰域內的夥伴數目及分布方位，並向機器人數量較多的方位作為移動方向前進一步，反覆執行此過程直 到機器人聚群；步驟二、設定群移動機器人的前進目標點，在各機器人上根據機器人與目標點之間的 距離關係施加一個目標對機器人的目標吸引虛擬力；如果移動機器人之間距離小於預設值 或當障礙物在其排斥範圍內時，在機器人上再施加一個虛擬排斥合力，機器人在行進過程 中，每一步移動步長根據目標吸引虛擬力、虛擬排斥合力和擁擠因子的變化而變化；步驟三、移動機器人群的密度發生變化時，如果移動機器人之間相對位置處於可壓縮 範圍之外，則進行調整如果移動機器人的密度過於擁擠，移動機器人則通過彈簧模型相互 排斥；如果過於分散，則轉步驟一，執行聚群行為；當移動機器人間的相對位置處於可壓縮 範圍內，則無需調整；步驟四、檢測群移動機器人是否到達目標位置，若到達目標位置，則整個運動過程結 束；否則，轉步驟一。
2.根據權利要求1所述的一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，其特徵在於 步驟一中移動機器人通過安裝在自身周圍的傳感器檢測附近鄰域內的機器人。
3.根據權利要求1或2所述的一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，其特徵在 於步驟二中合力為機器人之間的排斥力與障礙物的排斥合力，大小與機器人之間的距離 和機器人到障礙物的距離成比例。
全文摘要
本發明公開了一種任意隊形的群移動機器人密度控制方法，屬於移動多機器人技術鄰域。包括移動機器人的聚群、設定群移動機器人的前進目標點、機器人群移動調整；直到到達目標位置。本發明通過擁擠因子調節機器人過於分散的問題，通過可壓縮範圍的機器人彈簧模型調節機器人過於擁擠或與障礙物之間過於接近易發生碰撞的安全距離，群移動機器人的隊形不固定，使得群移動機器人的通訊和感知範圍得以有效保障，克服了單個機器人易發生掉隊的現象。採用本發明的方法，使得群移動機器人具有自動化程度高，機器人密度可控，可根據運動環境進行任意隊形組合，從而保證了未知環境下群移動機器人的密度等特點。
文檔編號G05D1/00GK102053621SQ20091023743
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者宋萍, 康曉, 李科傑, 漆光平, 陳昌, 韓惠婕 申請人:北京理工大學