CN102053620B - 一种地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法，属于移动多机器人技术领域中的避障技术领域。包括步骤一、转向向量的产生；步骤二、转向向量的发送：发现障碍物的地面移动机器人在产生转向向量之后，将此转向向量发送给其所有邻居机器人；步骤三、运动方向的产生：地面移动机器人群中的每一个机器人得到自己的转向向量后，机器人将自己的转向向量和合力按照向量加法进行合成，其结果即为地面移动机器人的前进方向和前进距离。本发明有效的改进了群体成员之间的相互碰撞和机器人群的分裂情况。采用本发明方法可以使地面移动机器人群有效、有序摆脱多边形障碍物。
Description
技术领域
本发明涉及一种地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法，属于移动多机器人技术领域中的避障技术领域。
背景技术
地面群移动机器人系统是由数量众多的地面移动机器人组成的，适合于侦察、救援等协作领域的应用。如何有效组织地面移动机器人群避开障碍物，特别是摆脱多边形障碍物造成的局部“死区”，同时又要保证无碰撞、冲突等发生是地面移动机器人群系统一个重要的课题。目前，移动机器人摆脱多边形障碍物的方法有绕墙算法、基于搜索双边缘安全点的方法、基于增强学习的方法等。此类方法存在的问题是：应用对象为多机器人，不能很好适应大规模机器人群的要求；没有考虑此过程中的队形保持问题；没有重视群体协作等。
发明内容
本发明的目的是为克服已有方法的不足，为解决地面移动机器人群有效、有序的摆脱多边形障碍物，保证地面移动机器人群完成避障、路径规划，而提出了一种地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法。
本发明的地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法，其步骤如下：
步骤一、转向向量的产生：地面移动机器人群发现障碍物且自己的转向向量为空或速度低于预设阈值时时，移动机器人根据自己的前进方向、障碍物的位置、所受合力，按照障碍物边缘的切线方向，产生一个转向向量；如果地面移动机器人的合力和转向向量夹角为180°，则其将原转向向量偏转一个角度β形成新的转向向量；
步骤二、转向向量的发送：发现障碍物的地面移动机器人在产生转向向量之后，将此转向向量发送给其所有邻居机器人，如果邻居机器人的转向向量为空，则接受此信息，将其存储为自己的转向向量；如果其转向向量不为空，则比较接收的转向向量和自身转向向量的夹角是否超过90°，如果超过90°，则抛弃接收到的转向向量；
步骤三、运动方向的产生：地面移动机器人群中的每一个机器人得到自己的转向向量后，机器人将自己的转向向量和合力按照向量加法进行合成，其结果即为地面移动机器人的前进方向和前进距离；
以上三个步骤的不断循环，直到地面移动机器人群摆脱多边形障碍物走出障碍区。
步骤一的转向向量的偏转方向为和合力夹角较小的方向。
步骤二中转向向量将一直被地面移动机器人保存，直到其走出障碍区时，才将自己的转向向量清零。通过不断地发送和接收转向向量，使群中所有地面移动机器人保持基本一致的前进方向，实现地面移动机器人群的群体转向。
步骤三中地面移动机器人的合力包括目标对机器人的吸引力，障碍物对机器人的排斥力，邻居机器人对其的吸引或排斥力，已经过路径对其的排斥力，合力是这几个力的合成。
本发明的有益效果：
本发明解决了地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的问题，同时使机器人群保持一定队形和基本一致的前进方向，有效的改进了群体成员之间的相互碰撞和机器人群的分裂情况。采用本发明方法可以使地面移动机器人群有效、有序摆脱多边形障碍物。
附图说明
图1为本发明方法的流程图
图2为转向向量产生过程说明
图3为转向向量修正过程说明
具体实施方式
为使本发明的方法和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明涉及的方法主要由转向向量的产生、转向向量的发送和运动方向的产生三个步骤组成。
步骤一：转向向量的产生
地面移动机器人群按照一定队形朝目标点前进时，其通过通信获得所有邻居机器人的位置信息，然后检测周围是否有障碍物。如果有障碍物，则计算出其距离、位置。根据障碍物的位置、距离通过得到其受到的障碍物对其的斥力。同时地面机器人根据邻居机器人的位置信息，自己的位置信息，目标位置、已走过的路径信息，障碍物斥力，求得移动机器人的合力。通过计算自己的已走路径，当前传感器信息得到机器人现在的运动方向。
如果地面移动机器人之前没有遇到障碍物或者已经走出了前一个障碍物，则其转向向量为空。此时，机器人遇到障碍物则产生一个和障碍物斥力相垂直，且和前进方向夹角较小方向为转向方向，大小为固定数值的向量，此向量即为转向向量(方向的确定为已有方法)，其原理如图2所示。
如果此时其转向向量不为空，但是其运动速度小于某一个阈值，此时说明地面移动机器人已经进入了障碍物内，可能由于已有转向向量不合适或者机器人群过于密集等原因导致运动速度过小，此时地面移动机器人可以按照上面的方法，重新产生一个新的转向向量。
如果某个地面移动机器人的合力和转向向量夹角接近180°，且其脱离了群体，此时容易导致其合成结果接近于零，使地面移动机器人陷入局部。因此，应当将原转向向量偏转一个小的角度β形成新的转向向量(将转向向量旋转一个角度为已有方法)。为了保证移动机器人运动方向的计算结果和原来的转向向量的方向保持基本一致，防止背道而驰的情况出现，转向向量的偏转方向为和合力夹角较小的方向(如图3所示)。由图3可以知道：对于L型障碍物，当机器人和障碍物的右壁很接近时，其合力将以障碍物斥力为主，原来合适的转向向量经过一段时间后不能适应环境要求。如果不修正转向向量，其向量加法合成结果不仅很小，而且合成结果的方向和墙壁相矛盾。
步骤二：转向向量的发送
发现障碍物的地面移动机器人在产生转向向量之后，将此转向向量发送给其所有邻居机器人。如果此机器人的转向向量为空，则接受此信息，将其存储为自己的转向向量。如果其转向向量不为空，则比较接收的转向向量和自身转向向量的夹角是否超过90°。如果超过90°，则认为接收到得转向向量和自己的前进方向相违背，抛弃接收到的转向向量，否则将其存储为自己的转向向量。
转向向量将一直被地面移动机器人保存，直到其摆脱此障碍时，才将自己的转向向量清空。通过不断地发送和接收转向向量，地面移动机器人可以不断的获得邻居机器人的转向信息，提前获得障碍物信息，做出判断。除此之外，还可以使群中所有地面移动机器人保持基本一致的前进方向，实现地面移动机器人群的群体转向，同时不断地修正自己的方向，并寻找更合适自己的转向向量。
步骤三：运动方向的产生
经步骤一、二之后，地面移动机器人群中的每一个机器人的转向向量为零或者为非零数值。机器人将自己的转向向量和受到的合力按照向量加法进行合成，其结果即为地面移动机器人的运动方向和运动距离。
由于地面移动机器人受到的合力包含了邻居机器人位置信息、障碍物位置信息、目标位置信息、已走路径的信息，其不仅可以实现避开障碍物，还可以保持一定队形，避免碰撞。而转向向量包含了机器人群的群体转向信息，是单个机器人运动的指引。因此，通过以上三个步骤的不断循环，地面移动机器人群可以一步步有效、有序地摆脱多边形障碍物，同时保持一定队形，避免碰撞。
Claims (1)
1.一种地面移动机器人群摆脱多边形障碍物的方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤一、转向向量的产生：地面移动机器人群发现障碍物且自己的转向向量为空或速度低于预设阈值时时，移动机器人根据自己的前进方向、障碍物的位置、所受合力，按照障碍物边缘的切线方向，产生一个转向向量；如果地面移动机器人的合力和转向向量夹角为180°，则其将原转向向量偏转一个角度β形成新的转向向量；其中所述转向向量的偏转方向为和合力夹角较小的方向；
步骤二、转向向量的发送：发现障碍物的地面移动机器人在产生转向向量之后，将此转向向量发送给其所有邻居机器人，如果邻居机器人的转向向量为空，则接受此信息，将其存储为自己的转向向量；如果其转向向量不为空，则比较接收的转向向量和自身转向向量的夹角是否超过90°，如果超过90°，则抛弃接收到的转向向量；其中转向向量被地面移动机器人保存，直到其走出障碍区时，才将自己的转向向量清零；
步骤三、运动方向的产生：地面移动机器人群中的每一个机器人得到自己的转向向量后，机器人将自己的转向向量和合力按照向量加法进行合成，其结果即为地面移动机器人的前进方向和前进距离；其中地面移动机器人的合力包括目标对机器人的吸引力，障碍物对机器人的排斥力，邻居机器人对其的吸引或排斥力，已经过路径对其的排斥力，合力是这几个力的合成；
以上三个步骤的不断循环，直到地面移动机器人群摆脱多边形障碍物走出障碍区。
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