一种仿萤火虫同步发光群体机器人及其同步发光方法与流程

本发明涉及一种同步发光群体机器人，具体涉及一种仿萤火虫同步发光群体机器人及其同步发光方法。

背景技术：

通过认识自然界社会性生物的群体自组织行为，人们展开了群体机器人的研究和应用。在自然界中，每到夏日的夜晚，在一定范围内的所有萤火虫都保持一定的频率同步发光，这种同步现象从无机到有机组织，再到人类社会活动广泛存在，例如周期起搏细胞中的神经元网络；心脏同步起博系统；蟋蟀的同步叫声；无任何指挥下大礼堂内人群的掌声会自发一致等。群体机器人通过彼此协同在非结构化复杂多变的环境中执行任务时拥有强大的功能扩展性、灵活性、适应性和鲁棒性，能够完成单个或者多个单体机器人组合在一起无法完成的任务，对群体机器人研究和应用的突破能够带来机器人领域革命性的飞跃。

目前对同步发光群体机器人的研究国内外都处于初级阶段。

国内主要对于频率同步算法有少量的理论研究，几乎没有制作好的同步发光群体机器人实体公开。如中国专利201611118507.2介绍的“一种新型采样频率同步算法”。

国外这方面的研究起步较早，技术更成熟，现在已有成品的同步发光机器人存在。但它们大都是基于无线传感器网络(wsn)的，wsn可以依靠网络中不同位置的多个传感器，进行全方位测量，将测量的数据融合，之后通过人机交互或节点之间的逐级通讯，从而逐渐实现同步。这种节点无法与时间基准直接同步的方法，必然导致同步精度随着节点离时间基准的距离的增加而增加。例如，美国harvarduniversity的self-organizingsystemsresearchgroup制作的群体机器人，日本futureuniversityhakodate制作的fireflyrobots等。但这些成品的同步发光机器人普遍存在着造价昂贵、结构复杂、可扩展性差以及一致性不稳定的问题。

技术实现要素：

为了克服现有的同步发光群体机器人的缺点，本发明提供了一种基于视觉感知的仿萤火虫同步发光群体机器人。该同步发光群体机器人至少由2个单体机器人组成，依靠摄像头传感器识别周围单体机器人的状态，并据此调整自身的发光状态；每个单体机器人单体都是一个完整独立的个体，智能化程度高，成本低，体积小，可扩展性强，观赏性高，鲁棒性好。每个单体机器人的结构与执行的程序都完全相同。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

一种仿萤火虫同步发光群体机器人，由至少两个单体机器人组成，其特征在于：所述单体机器人包括外壳、控制器模块和安装在外壳内的摄像头传感器及发光模块，单体机器人发光模式为：单体机器人开启后，每个单体机器人记录一个与时间成线性变化的相位，当相位从初始相位达到发光相位时，控制器模块控制发光模块发出一个脉冲光信号，同时该相位复位到初始相位进入下一个发光周期，单体机器人如此周期性发出光信号；所述控制器模块通过摄像头传感器记录的其他单体机器人的发光状态，来调整本单体机器人本身的发光状态来使多个单体机器人的发光周期趋于同步，最终达到所有单体机器人同步发光。

作为改进，所述控制器模块调整本单体机器人发光状态的具体方法为：

每个单体机器人的摄像头传感器记录其上一个发光周期内其他每个外部单体机器人发光时，本单体机器人的相位，将单体机器人发光时相位记为max，将某个单体机器人在上一个发光周期内外部其他单体机器人发光时的相位记为s1,s2,s3...sn，n为自然数，sn表示某个单体机器人在上一个发光周期内外部第n个单体机器人发光时的相位，则本单体机器人的初始相位调整为s表示初始相位，每个单体机器人经过上述步骤循环，经过多个发光周期后所有单体机器人发光趋于同步，最终达到同步发光状态。

作为改进，所述发光模块为三色led灯。

作为改进，所述当体机器人的外壳为上部镂空的外壳，所述摄像头传感器和发光模块安装在外壳的镂空处。

作为改进，所述控制器模块包括电路主板和安装在电路主板上的单片机，所述单片机通过电路主板与摄像头传感器及发光模块相连。

作为改进，所述三色led灯至少有两个，且三色led灯分布在摄像头传感器两侧。

作为改进，所述外壳上还设有液晶显示屏，所述液晶显示屏用于显示该单体机器人周围其他的单体机器人的发光信息。

作为改进，所述单体机器人还设有机器人开关、复位开关和用于给单体机器人供电的电源，所述机器人开关用于打开和关闭单体机器人，所述复位开关用于将单体机器人复位到初始状态。

作为改进，所述控制器模块还包括晶振，所述单体机器人通过晶振记录时间。

一种仿萤火虫同步发光群体机器人同步发光方法，其特征在于，包括以下步骤：

该同步发光群体机器人由至少两个单体机器人组成，所述单体机器人包括外壳、控制器模块和安装在外壳内的摄像头传感器及发光模块；

单体机器人发光模式为：单体机器人开启后，每个单体机器人记录一个与时间成线性变化的相位，当相位从初始相位达到发光相位时，控制器模块控制发光模块发出一个脉冲光信号，同时该相位复位到初始相位进入下一个发光周期，单体机器人如此周期性发出光信号；

每个单体机器人的摄像头传感器记录其上一个发光周期内其他每个外部单体机器人发光时，本单体机器人的相位，将单体机器人发光时相位记为max，将某个单体机器人在上一个发光周期内外部其他单体机器人发光时的相位记为s1,s2,s3...sn，n为自然数，sn表示某个单体机器人在上一个发光周期内外部第n个单体机器人发光时的相位，则本单体机器人本发光周期的初始相位调整为s表示初始相位，每个单体机器人经过上述步骤循环，经过多个发光周期后所有单体机器人发光趋于同步，最终达到同步发光状态。

本发明产生的有益效果为：依靠视觉感知来实现群体机器人的同步发光，提供了一种新型的同步模型，不需要无线传感器网络(wsn)支撑，每个单体机器人只需识别在其摄像头传感器视觉范围内的其他单体机器人，无需知晓全局范围内其他单体机器人的状态，无上位机操作，每个单体机器人无主次之分，组成一个群体的单体机器人数量可以任意增减，只要满足大于两个即可，可扩展性强，鲁棒性强，体积小，成本低，可根据需求搭载其他模块。

附图说明

图1是本发明的总体结构图。

图2是本发明的电路主板结构图。

图3是本发明的整体俯视图。

图4是本发明的整体正视图。

图5是本发明的同步发光过程图。

图6是本发明的同步发光程序流程图。

图中1-外壳，2-摄像头传感器，3-三色led灯，4-机器人开关，5-电路主板，6-锂离子电池，7-复位开关，8-lcd液晶显示屏，9-底座，10-晶振，11-固定铜柱，12-lcd液晶显示屏插孔，13-程序烧录串口，14-单片机，15-摄像头传感器插孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是一种基于视觉感知的仿萤火虫同步发光群体机器人，群体机器人至少由2个单体机器人组成，能够自主完成同步发光进程。如图1和图2所示的为单体机器人的实施例，其由外壳1，摄像头传感器2，三色led灯3，控制器模块，电源，lcd液晶显示屏8，底座9，固定铜柱11组成。

如图1所示的实施例中，所述控制器模块包括电路主板5和安装在电路主板5上的单片机14，所述单片机14为stm32单片机，所述电路主板5上包含1个stm32单片机芯片，1个摄像头传感器插孔15，1个程序烧录串口13，1个lcd液晶显示屏插孔12，1个8mhz的晶振10，1个复位开关7，1个机器人开关4，2个三色led灯3。

所述摄像头传感器2置于单体机器人的电路主板5之上，通过插针与电路主板5连接，并嵌入到单体机器人的外壳1内，所述摄像头传感器2至少为1个；所述lcd液晶显示屏8置于电路主板5之上，通过插针与电路主板5连接，且lcd液晶显示屏8至少为1个；2个三色led灯3置于电路主板5之上，通过杜邦线与电路主板5连接，所述三色led灯3数量根据需要选择，不限于2个；所述摄像头传感器2与三色led灯3置于同侧，所述三色led灯3紧贴外壳1内壁，所述三色led灯3分布于摄像头传感器2两侧。

所述的三色led灯3可以发出任意色彩的灯光，三色led灯3用于在不同环境下可以调整程序发出不同色彩的灯光，增强本发明的观赏价值。

所述摄像头传感器2用于采集周围其他单体机器人的发光状态，并将采集的其他单体机器人发光图像信息反映到lcd液晶显示屏8之上。

所述stm32单片机焊接在电路主板5中间，所述摄像头传感器插孔15和lcd液晶显示屏插孔12焊接在电路主板5周围，所述程序烧录串口13焊接在靠近lcd液晶显示屏插孔12一侧的电路主板5边缘，所述机器人开关4和复位开关7焊接在摄像头传感器插孔15一侧的电路主板5周围，其余电子元器件焊接在电路主板5上其他的空余位置。

所述外壳1与底座9通过螺栓和固定铜柱11连接，所述电源为锂离子电池6，所述锂离子电池6安放在底座9上面，通过双面胶布连接，所述电路主板5与底座9通过螺栓和固定铜柱11连接。

所述锂离子电池6用于给单体机器人供电，所述程序烧录串口13用于烧录相应的控制程序，所述机器人开关4用于控制整个单体机器人的工作状态，所述复位开关7用于重置单体机器人的程序运行状态，所述晶振10用于为单体机器人提供系统时钟。

所述摄像头传感器2通过摄像头传感器插孔15与电路主板5连接，所述lcd液晶显示屏8通过lcd液晶显示屏插孔12与电路主板5连接，所述三色led灯3通过杜板线与电路主板5连接。

将单体机器人各部分组装完成后，通过单体机器人的电路主板5上的程序烧录串口13给每个单体机器人烧录调试好的同步发光程序，将多个单体机器人摆放在一定范围内，并保证每个单体机器人的摄像头传感器2的视觉范围内至少能观测到一个其他单体机器人的发光状态，依次或同时打开每个单体机器人的机器人开关4，此时每个单体机器人都会随机地获得一个初始相位，并在晶振10的时间记录作用下稳定有序地执行下面的程序。下面以3个单体机器人为例，3个单体机器人分别用机器人a、机器人b和机器人c表示，详细说明本发明的同步发光方式。

如图5所示的实施例中，细折线表示机器人a的相位变化，中粗折线表示机器人b的相位变化，粗折线表示机器人c的相位变化，max表示发光相位，t表示晶振10记录的系统时间。同时打开机器人a、机器人b和机器人c的机器人开关4，机器人a、b、c各自随机地获得一个小于max的相位，如图5中t＝0时刻所示；在t1.1时刻，机器人a到达发光相位max，发出一个脉冲光信号后，机器人a发光后进入下一个周期，机器人b、c检测到机器人a发光信号并记录自身相位；在t2.1时刻，机器人b到达发光相位max，机器人b发光后根据上一个周期内记录的自身相位做出计算，获得一个初始相位后进入下一个发光周期，机器人a、c检测到机器人b的发光信号并记录自身相位；以此类推，在t3.1、t1.2、t2.2、t3.2、t1.3、t2.3、t3.3、t1.4、t2.4、t3.4、t1.5、t2.5、t3.5时刻，机器人c到达发光相位max，机器人c发光后根据上一个周期内记录的相位做出计算，获得一个初始相位后进入下一个发光周期，经过若干过发光周期后机器人a、机器人b和机器人c在一个发光周期内均检测不到其他机器人的发光信息，即三个单体机器人实现了同步发光，在同步发光过程中只要有任何一个单体机器人因为各种原因导致发光提前或延时，那么必然就有另外一个单体机器人在某一个发光周期内检测到该提前或延时发光的单体机器人，所有单体机器人按照上述步骤进行调整保证所有单体机器人在后面的时间里保持同步发光。

本实施例中，初始相位根据以下公式获得：

每个单体机器人的摄像头传感器2记录其上一个发光周期内其他每个外部单体机器人发光时，本单体机器人的相位，将单体机器人发光时相位记为max，将某个单体机器人在上一个发光周期内外部其他单体机器人发光时的相位记为s1,s2,s3...sn，n为自然数，sn表示某个单体机器人在上一个发光周期内外部第n个单体机器人发光时的相位，则本单体机器人本发光周期的初始相位调整为s表示初始相位。

从上述公式可知，若单体机器人无限多，上一个周期内记录的自身相位也可能会有无限多个，那么初始相位有可能会出现大于max的情况，此时单体机器人将出现一直闪烁的反常情况。但由于摄像头传感器2受到视觉范围和单体机器人体积的限制，本实施例在实际实施过程中，不会出现单体机器人在一个周期内识别无数个其他单体机器人发光的情况，在实际实施过程中，每个单体机器人在一个发光周期内能识别其视觉范围内的其他单体机器人数量不超过10个，这样就避免了出现一直闪烁的反常情况，这就是上述初相位获得公式中max/10的来历，通过matlab仿真分析，所得的仿真结果与图5十分一致。

本实施例是一种基于视觉感知的仿萤火虫同步发光群体机器人，每个机器人群至少拥有2个单体机器人，每个单体机器人依靠摄像头传感器2识别周围单体机器人的状态，并据此调整自己的发光状态；每个单体机器人都是一个完整独立的个体，智能化程度高，成本低，体积小，观赏价值高，鲁棒性好。在本基于视觉感知的仿萤火虫同步发光群体机器人上搭建其他模块，可让机器人完成对应的任务，扩展性好；本发明可用于实验研究，可以用作教学用具，实验器材，玩具制造，还可扩展后用作其他功能型机器人。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。