局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法

本发明涉及群体机器人协同执行区域覆盖路径规划领域，具体是一种在局部通信且仅有局部通信的情况下，群体机器人通过动态组网方式实现协同区域覆盖路径规划的方法。

背景技术：

1、在现实应用中，自主导航机器人可以完成多种不同类型的任务，例如环境探测、灾害搜救、物品搬运、仓库管理等。而这些任务都需要机器人能够自主地规划移动路径，根据任务需求到达目标位置并执行相应的操作。对于自主导航机器人移动路径的规划，则需要路径规划算法的支撑。从任务分类角度来说，对目标区域的全覆盖路径规划算法，其目标是在出发点和目标点之间规划出最短移动路径。在完成路径规划的基础下，重点研究对于路径成本的最优化。

2、覆盖路径规划算法是一种智能优化算法，属于旅行商问题的一种衍生领域，它通过自主实体机器人系统，利用其装备的特定的传感器或通信设备进行移动方向的自主导航，从而解决未知或已知环境的区域覆盖问题。自提出以来它已经受到了学界的深入研究和工业界的广泛应用。

3、在单体机器人的覆盖路径规划问题方面，现阶段的技术，结合了诸如旅行商算法(tsp)、蚁群算法(aco)、遗传算法(ga)、k-means算法等多种策略用于优化覆盖路径规划问题。但若待搜索区域范围很大时，却无法规避覆盖效率低、电量损耗过多等现实问题。因此，群体机器人的协同覆盖路径规划方法得到了学界和工业界的重视，例如，2022年，xie等提出一种改进的遗传算法以解决多区域下具有能量约束的多架无人机cpp问题。同年，ma等提出了一种协同覆盖改进的ba*算法(cciba*)，用于无人表面测绘车辆(usmv)的协作覆盖路径规划问题。2023年，程晓明等将群体机器人协同实现区域覆盖引入大型三维结构的覆盖检测问题,提出基于改进遗传算法的覆盖路径规划问题的求解新方法。

4、虽然目前群体机器人的覆盖路径规划问题得到了深入研究，然而，大多数目前已有的覆盖路径规划算法不具备使群体机器人在局部通信情况下仍能以最小的路径成本实现区域的完全覆盖的能力。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种在局部通信且仅有局部通信的情况下，群体机器人通过动态组网方式实现协同区域覆盖路径规划的方法。

2、本发明技术原理：

3、基于捕食者-猎物理论,在每次迭代周期中，群体中所有机器人会同步完成向各自的下一个目标邻居点移动。同时，目标邻居点的选择由总奖励函数和通信约束规则计算得出，总奖励函数由三个子奖励函数构成，其中第一个奖励与机器人尽量远离捕食者(设置的虚拟点)的移动相关，以控制机器人的移动趋势，避免低效的折返覆盖；第二个奖励与机器人直线方向的持续运动有关，使其能够尽量保持直线运动；第三个奖励与机器人尽量覆盖边界有关，以进一步避免折返覆盖及陷入“死锁”情形。总奖励函数作为一种启发式方法在每一步引导机器人的移动覆盖方向。在目标邻居点的选择中，另一个引导因素是群体机器人间的局部通信约束规则，由于机器人间通信范围限制，算法构建了动态组网模型，以使机器人在探索下一步路径目标时能够维持组网通信，从而保证机器人群体间各自信息的实时共享。

4、本发明技术方案：

5、局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，包括步骤：

6、步骤1：建立搜索环境，初始化群体机器人；

7、步骤2：计算每一个机器人的待选择邻居点；

8、步骤3：基于已移动机器人群体通信范围，获取尚未移动机器人的可选择邻居点；

9、步骤4：对于步骤3得到的可选择邻居点，分别计算其捕食回避奖励；

10、步骤5：对于步骤3得到的可选择邻居点，分别计算其直线运动奖励；

11、步骤6：对于步骤3得到的可选择邻居点，分别计算其边界覆盖奖励；

12、步骤7：根据步骤4-6分别计算得出的奖励值分量，计算邻居点的总收益；

13、步骤8：对在本次迭代中尚未移动的机器人，根据步骤7分别计算得出的各邻居点的总收益，选择最大收益值对应的邻居点为迭代周期中对应机器人的移动目标，并设置机器人移动状态；

14、步骤9：在本次迭代周期中，重复步骤3-8，直至所有机器人均已移动或存在陷入“死锁”的机器人；

15、步骤10：若所有机器人均已移动，则本次迭代结束，重置所有机器人状态；若存在“死锁”的机器人，则进行“死锁”解除，本次迭代结束；

16、步骤11：若当前迭代次数达到预设值或所有环境区域均已覆盖，则执行步骤12，否则执行步骤2；

17、步骤12：输出各机器人的移动覆盖路径。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、本发明方法可以在局部通信且仅有局部通信的情况下，群体机器人仍能通过动态组网方式实现协同区域覆盖路径规划。在通信受限的无障碍物环境下，该方法可以有效地实时响应环境待覆盖区域变化，以最小的成本实现区域完全覆盖。

技术特征：

1.局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤2：

4.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤3：

5.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤4中，计算捕食回避奖励的公式为：

6.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤5中，计算直线运动奖励的公式为：

7.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤6中，计算其边界覆盖奖励的公式为：

8.根据权利要求1所述的局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，所述步骤7，根据步骤4-6分别计算得出的奖励值分量rd(oj)，rs(oj)及rb(oj)，计算邻居点oj的总收益，其公式如下：

9.根据权利要求1所述的一种局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，在步骤10中，对于存在陷入“死锁”的机器人，包括三种情况：

10.根据权利要求7所述的一种局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，其特征在于，针对情况二和情况三，采用跟随逃离机制，具体实现为：

技术总结
局部通信下基于动态组网的区域覆盖路径规划方法，包括步骤：初始化N个机器人的位置，相互间可以通信，同时在覆盖区域外设置一虚拟位置；在每次迭代周期中，所有机器人会同步完成向各自的下一个目标邻居点移动；判断是否所有机器人都已移动，若是，则重置所有机器人的移动状态，本次迭代周期结束；否则，判断是否存在陷入“死锁”的机器人，若存在，则进行“死锁”解除，当所有陷入“死锁”的机器人均完成向目标邻居点移动后，本次迭代周期结束。重复上述机器人移动迭代周期，直至迭代次数达到预设值或所有环境区域均已覆盖。该方法可以在通信受限的无障碍物环境下，有效地实时响应环境待覆盖区域变化，以最小的成本实现区域完全覆盖。

技术研发人员：张军旗,韩彬彬,王成,邓蓉,臧笛,张志明,刘春梅
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17