一种多机器人防碰撞的方法及系统与流程

1.本发明涉及多机器人协同控制技术领域，具体地说是一种多机器人防碰撞的方法及系统。


背景技术：

2.随着世界科技的进步，计算机、通信、自动化控制技术日新月异，机器人 (包括无人车、无人机等)技术实现了飞速的发展。机器人由于其独特的优势，现在已广泛应用到了军事、仓储、物流、航拍、测绘、植保、电力巡检、灾难救援等领域。而多机器人协同控制，可以在很大程度上提高任务的成功概率，提高任务完成的效率，也能够实现编队表演等，应用越来越广泛。
3.多机器人协同控制带来巨大优势的同时，也给机器人的运行安全带来了隐患。由于在同一片区域内同时有多台机器人，机器人之间发生碰撞的概率增大，特别是在多机器人编队运动以及协作执行搜索、货物运送等任务时，如何避免机器人之间发生碰撞，是阻碍多机器人协同控制技术发展的一个重大障碍。
4.针对多机器人防碰撞控制，目前通常是采用调度中心统一调度，通过控制编队整体移动，减少机器人运动路径出现交叉的情况，或对全部机器人分批次控制变换位置，避免机器人在移动时发生碰撞。此方式处理逻辑复杂，效率低，对复杂变换情况的处理效果差。


技术实现要素：

5.本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种多机器人防碰撞的方法及系统，能够实现机器人之间信息快速有效的传输，方法简单可靠，能够适应各种复杂队形和任意数量的机器人。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种多机器人防碰撞的方法，对于至少两台机器人，每台机器人上均安装有一组无线自组网通信设备，该通信设备可将同一工作区域内的所有机器人加入到同一网络中，使网络内的任意一台机器人可与其他所有机器人进行通信，网络内的任意一台机器人均向其他机器人广播自身的速度与位置信息；
8.在机器人端进行计算，获取机器人自身目标速度，根据与网络内其它机器人的距离计算得到防碰撞速度，获取网络内其它机器人的目标速度并根据其距离确定各目标速度的调节系数，形成调节速度；将机器人自身目标速度、防碰撞速度、其它机器人调节速度矢量相加，计算得到该机器人的最终目标速度；
9.网络内的各机器人计算出各自的最终目标速度，并按照各自的最终目标速度运行。
10.其中，机器人自身目标速度能使机器人向目标点移动；防碰撞速度使机器人在与其他机器人距离较近时远离其他机器人，避免碰撞；其它机器人调节速度则使机器人能够根据其他机器人的运动做超前调节。
11.本方法利用无线自组网技术结合机器人的计算处理能力，设计一种适应性强、处理速度快的多机器人防碰撞方法，无线自组网使得任意一台机器人能够及时有效的获取系统中其他机器人的信息；通过在机器人端对数据进行简单快速的处理即可得到最终结果，无需通过调度中心的复杂计算和转发；无需考虑各种情况下的队形变换逻辑，能够适应各种复杂队形情况和任意机器人数量的系统。
12.进一步的，设定安全距离s，即当两台机器人之间的距离大于s时认为此两台机器人不会有发生碰撞的可能；对于大于安全距离s的机器人数据不作处理，对于在安全距离内的机器人，在接收到其它机器人的位置和速度信息后，各自计算其最终目标速度。
13.优选的，所述安全距离s根据机器人的最大移动速度和加速度确定：
14.s＝vmax2/2a+l，
15.其中，vmax为机器人可以达到的最大速度，a为机器人可以达到的最大加速度，l为机器人的最大直径。
16.优选的，设其中一台机器人为a，a自身目标速度为v1；
17.有机器人b、c、d在a的安全距离内，a与b、c、d的距离分别为sab、sac、 sad，则根据sab、sac、sad和机器人a的最大运动速度，分别计算出防碰撞速度量vab、vac、vad，其中vab、vac、vad的大小分别与sab、sac、sad成反比； vab、vac、vad的方向分别由b、c、d指向a；计算vab、vac、vad的矢量和，即为防碰撞速度，以v2表示，则v2＝vab+vac+vad；
18.机器人b、c、d当前的实际移动速度分别为vb、vc、vd，根据sab、sac、 sad确定vb、vc、vd的系数，所述速度乘以其系数即为其调节速度，各调节速度相加称为超前调节速度，以v3表示；
19.则机器人a的最终目标速度为：v＝v1+v2+v3。
20.优选的，所述防碰撞速度量vab、vac、vad的具体计算公式如下：
21.vab＝3
×
vmax
×
(s-sab)/sab，
22.vac＝3
×
vmax
×
(s-sac)/sac，
23.vad＝3
×
vmax
×
(s-sad)/sad，
24.其中vmax为机器人a可以达到的最大运动速度。
25.优选的，所述超前调节速度v3＝kbvb+kcvc+kdvd，其中系数kb、kc、kd的大小分别与sab、sac、sad成反比。
26.优选的，所述机器人a与机器人机器人b、c、d之间的距离为二维空间距离，各机器人向网络内其他机器人发送其二维坐标位置；所述v1、vb、vc、vd 以及vab、vac、vad均为二维向量。
27.优选的，所述机器人a与机器人机器人b、c、d之间的距离为欧氏距离，各机器人向网络内其他机器人发送其三维坐标位置；所述所述v1、vb、vc、vd 以及vab、vac、vad均为三维向量。
28.本发明还要求保护一种多机器人防碰撞的系统，该系统中具有至少两台机器人，每台机器人上均安装有一组无线自组网通信设备，通过所述的无线自组网通信设备，任意一台机器人可与其他所有机器人进行通信；
29.系统中各机器人根据上述的多机器人防碰撞的方法计算出各自的最终目标速度，并按照各自的最终目标速度运行。
30.优选的，各机器人内置处理器进行所述自身目标速度、防碰撞速度、超前调节速度以及最终目标速度的计算。
31.本发明的一种多机器人防碰撞的方法及系统与现有技术相比，具有以下有益效果：
32.本方法基于无线自组网技术，可实现信息快速有效的传输，提高效率；
33.采用将机器人自身目标速度、防碰撞速度、其他机器人速度矢量相加的方式计算机器人最终目标速度，方法简单可靠，能够适应各种复杂队形和任意数量机器人；
34.在机器人端进行计算，无需通过调度中心，提高了调节的实时性。所有机器人可同时运动，极大的缩短了机器人位置调整的时间。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的多机器人防碰撞的方法的实现过程图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
37.本发明实施例提供了一种多机器人防碰撞的方法，对于至少两台机器人，每台机器人上均安装有一组无线自组网通信设备，该通信设备可将同一工作区域内的所有机器人加入到同一网络中，使网络内的任意一台机器人可与其他所有机器人进行通信，网络内的任意一台机器人均向其他机器人广播自身的速度与位置信息。
38.机器人自身具有处理器，防碰撞计算在机器人端进行计算。
39.机器人获取向其自身最终目标位置移动的自身目标速度v1；通过获取网络内其它机器人的位置信息，根据与其它机器人的距离计算得到各防碰撞速度量，相加得到防碰撞速度v2；获取网络内其它机器人的目标速度并根据其距离确定各调节系数，通过各机器人目标速度与其调节系数得到各调节速度量，相加得到超前调节速度v3；将机器人自身目标速度v1、防碰撞速度v2、超前调节速度 v3三者矢量相加，得到该机器人的最终目标速度。
40.网络内的各机器人计算出各自的最终目标速度，并按照各自的最终目标速度运行。
41.本实施例以二维空间为例。设定一安全距离s，安全距离s值根据实际情况事先确定，为定值，需根据机器人的最大移动速度和加速度确定，本实施例中，安全距离s的确定方式如下：
42.s＝vmax2/2a+l，
43.其中，vmax为机器人可以达到的最大速度，a为机器人可以达到的最大加速度，l为机器人的最大直径。
44.当两台机器人之间的距离大于s时认为此两台机器人不会有发生碰撞的可能；对于大于安全距离s的机器人数据不作处理，对于在安全距离内的机器人，在接收到其它机器人的位置和速度信息后，各自计算其最终目标速度。
45.1、假设其中一台机器人为a，a自身目标速度为v1(二维向量)；机器人a 在接收到其它机器人与自身在二维空间中的距离(三维空间对应欧氏距离)，对大于安全距离s的机器人数据不做处理，对在安全距离内的机器人，假设有机器人b、c、d在a的安全距离内，a与
b、c、d的距离分别为sab、sac、sad。
46.2、根据sab、sac、sad分别计算出一个防碰撞速度量vab、vac、vad(均为二维向量)，vab、vac、vad的大小分别与sab、sac、sad成反比，即与a距离越近，对应速度量越大，vab、vac、vad的方向分别由b、c、d指向a，计算三者的矢量和v2为v2＝vab+vac+vad。其中，
47.vab＝3
×
vmax
×
(s-sab)/sab，
48.vac＝3
×
vmax
×
(s-sac)/sac，
49.vad＝3
×
vmax
×
(s-sad)/sad，
50.vmax为机器人a可以达到的最大运动速度。
51.3、获取机器人b、c、d当前的实际移动速度分别为vb、vc、vd(均为二维向量)，然后计算出一个超前调节速度量v3＝kbvb+kcvc+kd*vd，其中系数kb、 kc、kd的大小分别与sab、sac、sad成反比，即与a距离越近，对应系数越大。
52.4、机器人a的最终目标速度为v＝v1+v2+v3。
53.其中，速度v1使机器人a能够向目标点飞行；防碰撞速度v2使机器人a 在与其他机器人距离较近时远离其他机器人，避免碰撞；速度v3则使机器人a 能够根据其他机器人的运动做超前调节，且距离a越近的机器人对a的影响越大。
54.对网络编队中的其他机器人分别做上述处理，计算出各自的最终目标速度，并按照各自的最终目标速度运行。
55.若机器人工作在三维空间，如无人机，则按同样方法扩展至三维，计算方法与二维空间计算方法相同。
56.机器人在军事、仓储、物流、植保、编队表演等应用场景下，需要多台机器人协同控制，共同完成任务，但多机器人协同控制也给机器人的运行安全带来了隐患。由于在同一片区域内同时有多台机器人，机器人之间发生碰撞的概率增大。本方法提供的基于无线自组网的多机器人防碰撞的方法，能够充分利用无线自组网技术，结合机器人的计算处理能力，提高多机器人协同控制的安全性，防止机器人之间发生碰撞；适应性强、处理速度快，无线自组网使得任意一台机器人能够及时有效的获取系统中其他机器人的信息；通过在机器人端对数据进行简单快速的处理即可得到最终结果，无需通过调度中心的复杂计算和转发；无需考虑各种情况下的队形变换逻辑，能够适应各种复杂队形情况和任意机器人数量的系统。
57.本发明实施例还提供一种多机器人防碰撞的系统，该系统中具有至少两台机器人，每台机器人上均安装有一组无线自组网通信设备，通过所述的无线自组网通信设备，任意一台机器人可与其他所有机器人进行通信；
58.系统中各机器人根据上述实施例所述的多机器人防碰撞的方法计算出各自的最终目标速度，并按照各自的最终目标速度运行。
59.所述各机器人内置处理器进行所述自身目标速度、防碰撞速度、超前调节速度以及最终目标速度的计算。
60.通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。
61.除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。