一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法
2023-10-06 12:40:19 1
專利名稱：一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法
技術領域：
本發明涉及一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，屬於移動多機器人 技術領域中的避障技術領域。
背景技術：
地面群移動機器人系統是由數量眾多的地面移動機器人組成的，適合於偵察、救 援等協作領域的應用。如何有效組織地面移動機器人群避開障礙物，特別是擺脫多邊形障 礙物造成的局部「死區」，同時又要保證無碰撞、衝突等發生是地面移動機器人群系統一個 重要的課題。目前，移動機器人擺脫多邊形障礙物的方法有繞牆算法、基於搜索雙邊緣安 全點的方法、基於增強學習的方法等。此類方法存在的問題是應用對象為多機器人，不能 很好適應大規模機器人群的要求；沒有考慮此過程中的隊形保持問題；沒有重視群體協作寸。
發明內容
本發明的目的是為克服已有方法的不足，為解決地面移動機器人群有效、有序的 擺脫多邊形障礙物，保證地面移動機器人群完成避障、路徑規劃，而提出了一種地面移動機 器人群擺脫多邊形障礙物的方法。本發明的地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，其步驟如下步驟一、轉向向量的產生地面移動機器人群發現障礙物且自己的轉向向量為空 或速度低於預設閾值時時，移動機器人根據自己的前進方向、障礙物的位置、所受合力，按 照障礙物邊緣的切線方向，產生一個轉向向量；如果地面移動機器人的合力和轉向向量夾 角為180°，則其將原轉向向量偏轉一個角度β形成新的轉向向量；步驟二、轉向向量的發送發現障礙物的地面移動機器人在產生轉向向量之後，將 此轉向向量發送給其所有鄰居機器人，如果鄰居機器人的轉向向量為空，則接受此信息，將 其存儲為自己的轉向向量；如果其轉向向量不為空，則比較接收的轉向向量和自身轉向向 量的夾角是否超過90°，如果超過90°，則拋棄接收到的轉向向量；步驟三、運動方向的產生地面移動機器人群中的每一個機器人得到自己的轉向 向量後，機器人將自己的轉向向量和合力按照向量加法進行合成，其結果即為地面移動機 器人的前進方向和前進距離；以上三個步驟的不斷循環，直到地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物走出障礙 區。步驟一的轉向向量的偏轉方向為和合力夾角較小的方向。步驟二中轉向向量將一直被地面移動機器人保存，直到其走出障礙區時，才將自 己的轉向向量清零。通過不斷地發送和接收轉向向量，使群中所有地面移動機器人保持基 本一致的前進方向，實現地面移動機器人群的群體轉向。步驟三中地面移動機器人的合力包括目標對機器人的吸引力，障礙物對機器人的3排斥力，鄰居機器人對其的吸引或排斥力，已經過路徑對其的排斥力，合力是這幾個力的合 成。本發明的有益效果本發明解決了地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的問題，同時使機器人群保持 一定隊形和基本一致的前進方向，有效的改進了群體成員之間的相互碰撞和機器人群的分 裂情況。採用本發明方法可以使地面移動機器人群有效、有序擺脫多邊形障礙物。
圖1為本發明方法的流程2為轉向向量產生過程說明圖3為轉向向量修正過程說明
具體實施例方式為使本發明的方法和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描 述。本發明涉及的方法主要由轉向向量的產生、轉向向量的發送和運動方向的產生三 個步驟組成。步驟一轉向向量的產生地面移動機器人群按照一定隊形朝目標點前進時，其通過通信獲得所有鄰居機器 人的位置信息，然後檢測周圍是否有障礙物。如果有障礙物，則計算出其距離、位置。根據 障礙物的位置、距離通過得到其受到的障礙物對其的斥力。同時地面機器人根據鄰居機器 人的位置信息，自己的位置信息，目標位置、已走過的路徑信息，障礙物斥力，求得移動機器 人的合力。通過計算自己的已走路徑，當前傳感器信息得到機器人現在的運動方向。如果地面移動機器人之前沒有遇到障礙物或者已經走出了前一個障礙物，則其轉 向向量為空。此時，機器人遇到障礙物則產生一個和障礙物斥力相垂直，且和前進方向夾角 較小方向為轉向方向，大小為固定數值的向量，此向量即為轉向向量(方向的確定為已有 方法)，其原理如圖2所示。如果此時其轉向向量不為空，但是其運動速度小於某一個閾值，此時說明地面移 動機器人已經進入了障礙物內，可能由於已有轉向向量不合適或者機器人群過於密集等原 因導致運動速度過小，此時地面移動機器人可以按照上面的方法，重新產生一個新的轉向向量。如果某個地面移動機器人的合力和轉向向量夾角接近180°，且其脫離了群體，此 時容易導致其合成結果接近於零，使地面移動機器人陷入局部。因此，應當將原轉向向量偏 轉一個小的角度β形成新的轉向向量(將轉向向量旋轉一個角度為已有方法)。為了保證 移動機器人運動方向的計算結果和原來的轉向向量的方向保持基本一致，防止背道而馳的 情況出現，轉向向量的偏轉方向為和合力夾角較小的方向(如圖3所示)。由圖3可以知 道對於L型障礙物，當機器人和障礙物的右壁很接近時，其合力將以障礙物斥力為主，原 來合適的轉向向量經過一段時間後不能適應環境要求。如果不修正轉向向量，其向量加法 合成結果不僅很小，而且合成結果的方向和牆壁相矛盾。4
步驟二 轉向向量的發送發現障礙物的地面移動機器人在產生轉向向量之後，將此轉向向量發送給其所有 鄰居機器人。如果此機器人的轉向向量為空，則接受此信息，將其存儲為自己的轉向向量。 如果其轉向向量不為空，則比較接收的轉向向量和自身轉向向量的夾角是否超過90°。如 果超過90°，則認為接收到得轉向向量和自己的前進方向相違背，拋棄接收到的轉向向量， 否則將其存儲為自己的轉向向量。轉向向量將一直被地面移動機器人保存，直到其擺脫此障礙時，才將自己的轉向 向量清空。通過不斷地發送和接收轉向向量，地面移動機器人可以不斷的獲得鄰居機器人 的轉向信息，提前獲得障礙物信息，做出判斷。除此之外，還可以使群中所有地面移動機器 人保持基本一致的前進方向，實現地面移動機器人群的群體轉向，同時不斷地修正自己的 方向，並尋找更合適自己的轉向向量。步驟三運動方向的產生經步驟一、二之後，地面移動機器人群中的每一個機器人的轉向向量為零或者為 非零數值。機器人將自己的轉向向量和受到的合力按照向量加法進行合成，其結果即為地 面移動機器人的運動方向和運動距離。由於地面移動機器人受到的合力包含了鄰居機器人位置信息、障礙物位置信息、 目標位置信息、已走路徑的信息，其不僅可以實現避開障礙物，還可以保持一定隊形，避免 碰撞。而轉向向量包含了機器人群的群體轉向信息，是單個機器人運動的指引。因此，通過 以上三個步驟的不斷循環，地面移動機器人群可以一步步有效、有序地擺脫多邊形障礙物， 同時保持一定隊形，避免碰撞。
權利要求
1.一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，其特徵在於包括步驟如下 步驟一、轉向向量的產生地面移動機器人群發現障礙物且自己的轉向向量為空或速度低於預設閾值時時，移動機器人根據自己的前進方向、障礙物的位置、所受合力，按照障 礙物邊緣的切線方向，產生一個轉向向量；如果地面移動機器人的合力和轉向向量夾角為 180°，則其將原轉向向量偏轉一個角度β形成新的轉向向量；步驟二、轉向向量的發送發現障礙物的地面移動機器人在產生轉向向量之後，將此轉 向向量發送給其所有鄰居機器人，如果鄰居機器人的轉向向量為空，則接受此信息，將其存 儲為自己的轉向向量；如果其轉向向量不為空，則比較接收的轉向向量和自身轉向向量的 夾角是否超過90°，如果超過90°，則拋棄接收到的轉向向量；步驟三、運動方向的產生地面移動機器人群中的每一個機器人得到自己的轉向向量 後，機器人將自己的轉向向量和合力按照向量加法進行合成，其結果即為地面移動機器人 的前進方向和前進距離；以上三個步驟的不斷循環，直到地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物走出障礙區。
2.根據權利要求1所述的一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，其特徵在 於步驟一的轉向向量的偏轉方向為和合力夾角較小的方向。
3.根據權利要求1或2所述的一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，其特 徵在於步驟二中轉向向量被地面移動機器人保存，直到其走出障礙區時，才將自己的轉向 向量清零。
4.根據權利要求1或2所述的一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，其特 徵在於步驟三中地面移動機器人的合力包括目標對機器人的吸引力，障礙物對機器人的 排斥力，鄰居機器人對其的吸引或排斥力，已經過路徑對其的排斥力，合力是這幾個力的合 成。
全文摘要
本發明公開了一種地面移動機器人群擺脫多邊形障礙物的方法，屬於移動多機器人技術領域中的避障技術領域。包括步驟一、轉向向量的產生；步驟二、轉向向量的發送發現障礙物的地面移動機器人在產生轉向向量之後，將此轉向向量發送給其所有鄰居機器人；步驟三、運動方向的產生地面移動機器人群中的每一個機器人得到自己的轉向向量後，機器人將自己的轉向向量和合力按照向量加法進行合成，其結果即為地面移動機器人的前進方向和前進距離。本發明有效的改進了群體成員之間的相互碰撞和機器人群的分裂情況。採用本發明方法可以使地面移動機器人群有效、有序擺脫多邊形障礙物。
文檔編號G05D1/00GK102053620SQ20091023743
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, 李科傑, 梁金龍, 漆光平, 陳昌, 韓小兵 申請人:北京理工大學