CN105573316B - 一种自主编队移动群体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自主编队移动群体机器人，该移动群体机器人至少由2个机器人组成，拥有两种编队方式，即视觉编队和通信编队，根据需要采用不同的编队方式可以达到不同的目的；每个机器人单体都是一个完整独立的个体，灵活性好，智能化程度高，同时机器人成本低，体积小，稳定性好，性价比高。

Description

一种自主编队移动群体机器人

技术领域

本发明涉及一种自主编队移动群体机器人。

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。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个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。

目前对移动群体机器人的研究国内外都处于初级阶段。

国内主要集中于对移动群体机器人的控制系统、控制算法等的理论研究，很少有制作好的移动群体机器人实体公开。如：中国专利申请号201210446510.2介绍的一种“分布式机器人群体协调控制系统”，中国专利申请号201410476318.7介绍的“群体机器人的控制系统”。

国外这方面的研究起步较早，技术更成熟，现在已有成品的移动群体机器人存在。但它们大都存在着要么单个机器人成本低但过于简单，系统功能过于单一，要么单个机器人较复杂而导致群体机器人成本高且非开源，不利于产品的研发和技术交流，没有基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用STM32而开发的群体机器人，而能够自主编队的基于STM32的移动群体机器人更是少之又少。例如，哈佛大学生物工程研究所发明的Kilobot机器人的大小跟硬币差不多，每个机器人都装有一个小型微处理器、一个红外传感器以及一个通过震动来完成移动的马达，该机器人通过SDASH算法集群数量能够达到1024个，真正完成了群体机器人自主编队的功能。但是，由于设计人员为了尽可能地降低制造的成本，单个Kilobot机器人的功能过于简单，主要存在如下缺点：采用的震动电机“滑动粘附”的移动方式一方面只能让Kilobot机器人在光滑的反光的平面上运动，另一方面导致了机器人运动速度的无法测量，因而单个机器人不能长时间远距离运动；Kilobot机器人通过接收从桌面上反射红外线的方式实现通信，通信距离不能超过10cm；另外，Kilobot机器人只有一个红外传感器，系统功能单一，只能依靠邻居机器人的合作完成任务。此外，瑞士联合科技院开发的E-PUCK[6]机器人同样也是一个比较著名的群体机器人移动平台，由DSPIC处理器驱动。单个机器人能完成多种任务，应用范围较广，已在四百多所大学和研究院中得到应用。然而，E-PUCK机器人的成本很高，单个机器人的成本为1300美元。对于大多需要多个机器人平台作为研究对象的群体机器人研究人员而言，E-PUCK高昂的费用很难让他们全部承受。

发明内容

为了克服现有的移动群体机器人的缺点，本发明提供了一种自主编队移动群体机器人，该移动群体机器人至少由2个机器人组成，拥有两种编队方式，即视觉编队和通信编队，根据需要采用不同的编队方式可以达到不同的目的；每个机器人单体都是一个完整独立的个体，灵活性好，智能化程度高，同时机器人成本低，体积小，稳定性好，性价比高。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

一种自主编队移动群体机器人，至少由两个单个机器人组成，单个机器人至少包括机器人底盘、直流减速电机车轮、直流减速电机、机器人电路主板，机器人底盘几何形状关于中间平面对称，机器人底盘两侧关于中间平面对称位置设有切割缺陷，所述直流减速电机车轮镶嵌在机器人底盘的切割缺陷处；电机固定架与机器人底盘固定连接，电机固定架将两个直流减速电机关于机器人中间平面对称固定在机器人底盘上，直流减速电机主轴分别与直流减速电机车轮轴连接，驱动机器人直流减速电机车轮旋转；所述直流减速电机车轮上安装有栅格式的光电码盘；所述机器人底盘上处于直流减速电机前、后方分别固定连接铜柱，所述固定连接铜柱支撑固定机器人电路主板，所述机器人电路主板上焊接机器人硬件电路系统，机器人底盘上安装锂离子电池；所述机器人底盘后方边缘处且在机器人的中间平面上固定有机器人万向轮，处于垂直投影面上两个直流减速电机车轮和机器人万向轮呈等边三角形，机器人外壳吻合地安装在机器人底盘边缘上。

进一步地，所述硬件电路系统至少包括单片机模块及其控制的红外测速模块、红外测距模块、LED模块、SD卡、颜色识别模块、人机交互模块、导航模块、电机驱动模块和无线通信模块，所述红外测速模块焊接在机器人电路主板的下方，其余模块焊接在机器人电路主板上方；所述红外测距模块和LED模块设置在机器人电路主板的边缘处，单片机模块焊接在机器人电路主板中心，其余的模块焊接在其余的空间处；人机交互模块和导航模块通过排针安装在机器人电路主板上方，人机交互模块支撑在电机驱动模块和无线通信模块的上方；颜色识别模块焊接在红外测距模块和LED模块后面。

进一步地，所述红外测距模块和LED模块至少为两个，相间隔设置在机器人电路主板的四周，且都关于机器人中间平面对称焊接；颜色识别模块至少为两个且关于机器人中间平面对称。

进一步地，所述的LED模块由全彩的RGB-LED模块组成，可以发出任意色彩的灯光，LED模块用于发出不同颜色的灯光切换机器人身份。

进一步地，所述无线通信模块至少包括WIFI模块、ZigBee模块和蓝牙模块，导航模块至少包括三轴加速度计三轴陀螺仪模块和电子罗盘模块，所述单片机模块右前方焊接三轴加速度计三轴陀螺仪模块，右方通过排针支撑后焊接电子罗盘模块，左前方焊接ZigBee模块，左后方焊接WIFI模块，WIFI模块后面焊接电机驱动模块，电机驱动模块包括2个电机接线端口和1个电机驱动芯片，电机驱动芯片右边焊接2个电机接线端口，电机接线端口右后方焊接蓝牙模块。

进一步地，所述红外测距模块、颜色识别模块对应处的机器人外壳上设有通孔，以便红外线的发射与接收和颜色的追踪。

进一步地，所述红外测速模块为两个，正对准直流减速电机车轮上的光电码盘且关于机器人中间平面对称焊接在机器人电路主板下方，所述红外测速模块在红外测距模块的基础上增加了电压比较模块而成，可测量直流减速电机车轮的角速度，测得的角速度可用于机器人路径规划和增加反馈控制环节。

进一步地，相邻单个机器人之间通过自身的颜色识别模块追踪邻居机器人的LED模块完成邻居机器人的航向角度测量；通过红外测距模块测量自身与邻居机器人的距离，通过无线通信模块向邻居机器人发送自身运动角度信息；通过利用颜色识别模块追踪邻居机器人的LED模块测量的邻居机器人的航向角度和红外测距模块测量自身与邻居机器人的距离完成机器人的视觉编队任务，利用邻居机器人通过无线通信模块发送过来运动角度信息和红外测距模块测量自身与邻居机器人的距离完成机器人的通信编队任务。

本发明产生的有益效果为：拥有2种自主编队方式，输入对应的程序，可根据实际需要选择一种来完成机器人的自主编队，灵活性好，适应性强，冗余性和鲁棒性好；在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；单个机器人功能完善，模块齐全，智能化程度高，结构紧凑，体积小，成本低，性价比高。

附图说明

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。

图1是本发明的总体结构图；

图2A、图2B、图2C是不同视角下本发明的硬件电路系统结构图；

图3A、图3B是不同视角下本发明的机械结构系统图；

图4是本发明完整结构图；

图5是本发明最小编队系统图；

图6是本发明编队流程图。

具体实施方式

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。

本发明是一种自主编队移动群体机器人，群体机器人至少由两个机器人组成，能够自主完成编队任务。如图1所示的为单个机器人的实施例，其由机械结构系统1和硬件电路系统2组成，机械结构系统1和硬件电路系统组成2相互协调配合，完成机器人自主编队任务。

如图2A、2B、2C所示的实施例中，单个机器人硬件电路系统2包括1个红外测距模块200，1个LED模块201，1个SD卡202，1个电机驱动模块203，1个人机交互模块204，1个无线通信模块205，1个导航模块206，1个颜色识别模块207，1个单片机模块208，1个红外测速模块209，1个机器人电路主板106。其中红外测距模块200包括7个红外测距传感器模块20001，LED模块201包括12个RGB-LED模块20101，电机驱动模块203包括2个电机接线端口20301和1个电机驱动芯片20302，无线通信模块205包括1个WIFI模块20501，1个ZigBee模块20502，1个蓝牙模块20503，导航模块206包括1个三轴加速度计三轴陀螺仪模块20601，1个电子罗盘模块20602，颜色识别模块207包括2个颜色识别芯片模块20701，单片机模块208包括1个STM32单片机20801，红外测速模块209包括2个红外测速传感器模块20901。红外测速模块209焊接在机器人电路主板106的下方，其余模块焊接在机器人电路主板106上方。红外测距模块200和LED模块201焊接在机器人电路主板106的外沿，单片机模块208焊接在机器人电路主板106中心，其余的模块焊接在其余的空间处。人机交互模块204和导航模块206的电子罗盘模块20602通过排针支撑在机器人电路主板106上方后焊接，与其他模块在空间上相互错开，保证机器人结构紧凑，体积最小化，人机交互模块204支撑在电机驱动模块203和无线通信模块205的上方后焊接。

除电子罗盘模块20602外，其余的各模块都靠近机器人电路主板106焊接。7个红外测距传感器模块20001和12个RGB-LED模块20101相间焊接在机器人电路主板106外沿，且都关于机器人中间平面对称焊接。STM32单片机20801焊接在机器人电路主板106中间，颜色识别芯片模块20701焊接在红外测距模块200和LED模块201后面，也关于机器人中间平面对称焊接。STM32单片机20801右前方焊接三轴加速度计三轴陀螺仪模块20601，右方通过排针支撑后焊接电子罗盘模块20602，左前方焊接ZigBee模块20502，左后方焊接WIFI模块20501，WIFI模块20501后面焊接电机驱动芯片20302，电机驱动芯片20302右边焊接2个电机接线端口20301，电机接线端口20301右后方焊接蓝牙模块20503。

2个红外测速传感器模块20901正对着机器人直流减速电机车轮101上的光电码盘且关于机器人中间平面对称焊接在机器人电路主板106下方。红外测速传感器模块20901在红外测距传感器模块20001的基础上增加了电压比较模块而得到，可测量机器人直流减速电机车轮101的角速度，测得的角速度可用于机器人路径规划和增加反馈控制环节。

如图3A、图3B所示的实施例中，单个机器人的机械结构系统1包括2个直流减速电机车轮101，1个机器人底盘102，4根固定连接铜柱103，1个机器人外壳104，1个机器人开关105，1个机器人电路主板106，1块锂离子电池(107)，1个机器人万向轮108，2个直流减速电机109，2个电机固定架110。其中，机器人底盘102几何形转关于中间平面对称，材质为有机玻璃，机器人底盘102在直流减速电机车轮101安装位置被切割掉，使得直流减速电机车轮101镶嵌在器人底盘102内部。2个电机固定架110将2个直流减速电机109关于机器人中间平面对称固定在机器人底盘102上，电机固定架110与机器人底盘102通过螺纹固定，每个直流减速电机109主轴直接与1个直流减速电机车轮101轴连接，驱动机器人直流减速电机车轮101旋转。每个直流减速电机车轮101上安装有一定数量的光电码盘。在机器人直流减速电机109前后方通过螺纹固定有4根固定连接铜柱103，4根固定连接铜柱103支撑固定着机器人电路主板106。机器人主板106上焊接着机器人硬件电路系统2，机器人开关105也焊接在机器人主板106的左后方靠外沿处。在4根固定连接铜柱103后方，锂离子电池107粘接在机器人底盘102上。在机器人底盘102后方，机器人的中间平面上通过螺纹固定有机器人万向轮108，正对着机器人底盘102下方看，机器人2个直流减速电机车轮101和机器人万向轮108成等边三角形布置，机器人重心落在机器人底盘102圆心处。机器人外壳104粘接在机器人底盘102上，其直径和机器人底盘102一样，材质也为有机玻璃，机器人外壳104在对应的红外测距模块200、颜色识别模块207处开有通孔，以便红外线的发射与接收和颜色的追踪，机器人外壳104起封闭和保护作用。

如图4所示的实施例中为一个完整的单个机器人实施例，机器人硬件电路系统2控制机械结构系统1，硬件电路系统中单片机模块208又控制其余各模块，各模块之间、机器人机械结构系统与硬件电路系统相互配合，协调工作。机器人从内到外，自上而下结构紧凑，体积小，重量轻。

如图5所示的实施例中，一种基于STM32的自主编队移动群体机器人的最小编队系统由2个机器人组成，即机器人1和机器人2，相邻2个机器人通过自身的颜色识别模块207追踪邻居机器人的LED模块201完成邻居机器人的航向角度测量，通过红外测距模块200测量自身与邻居机器人的距离，通过ZigBee模块20502向邻居机器人发送自身运动角度信息。通过利用颜色识别模块207追踪邻居机器人的LED模块201测量的邻居机器人的航向角度和红外测距模块200测量自身与邻居机器人的距离完成机器人的视觉编队任务，利用邻居机器人通过ZigBee模块20502发送过来运动角度信息和红外测距模块200测量自身与邻居机器人的距离完成机器人的通信编队任务，两种编队方式各有优点，可根据需要灵活选取。

如图6所示的实施例中，自主编队移动群体机器人可通过两种方式完成自动编队任务。群体机器人的编队过程如下：打开机器人开关105启动机器人，开启机器人STM32单片机20801定时器，开启DMA通道后，STM32单片机20801定时器通过PWM输出通道给定一个初始的PWM脉冲值驱动直流减速电机109转动，电子罗盘模块20602实时测量机器人平台当前航向角度，每隔40ms，STM32单片机20801读取一次测得的航向角度，并与通过无线通信模块205发送的邻居机器人的角度或者颜色识别模块207直接追踪邻居机器人LED模块201而得到的邻居机器人的角度比较作减法运算，运算结果乘以一个比例系数；同时，红外测距传感器模块20001实时测量该机器人与周围邻居机器人之间的距离，然后STM32单片机20801每隔2ms采集一次数据，当采集到10组数据后，进行均值滤波处理，得到的距离值与预期的控制距离作比较，比较结果乘以一个比例系数；两个环节的运算结果均与起始输入的PWM脉冲值作比较，最终的结果经过系统限幅环节作为直流减速电机109角速度的控制输入量。如此循环往复，各个群体机器人的平台最终以一致的方向角和固定的相对距离运行，自主完成对齐、聚集和分散的编队任务。同时，每隔80ms，人机交互模块204更新显示数据，给用户实时提供需要的数据。

本实施中是一种基于STM32的自主编队移动群体机器人，每个机器人群至少拥有2个机器人，拥有2种自主编队方式，输入对应的程序，可根据实际需要选择其中一种来完成机器人的自主编队，灵活性好，适应性强，冗余性和鲁棒性好；在本基于STM32的自主编队移动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。本基于STM32的自主编队移动群体机器人的单个机器人功能完善，模块齐全，智能化程度高，结构紧凑，体积小，成本低，性价比高；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的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自主编队移动群体机器人，至少由两个单个机器人组成，其特征在于，单个机器人至少包括机器人底盘(102)、直流减速电机车轮(101)、直流减速电机(109)、机器人电路主板(106)，机器人底盘(102)几何形状关于中间平面对称，机器人底盘(102)两侧关于中间平面对称位置设有切割缺陷，所述直流减速电机车轮(101)镶嵌在机器人底盘(102)的切割缺陷处；电机固定架(110)与机器人底盘(102)固定连接，电机固定架(110)将两个直流减速电机(109)关于机器人中间平面对称固定在机器人底盘(102)上，直流减速电机(109)主轴分别与直流减速电机车轮(101)轴连接，驱动机器人直流减速电机车轮(101)旋转；所述直流减速电机车轮(101)上安装有栅格式的光电码盘；所述机器人底盘(102)上处于直流减速电机(109)前、后方分别固定连接铜柱(103)，所述固定连接铜柱(103)支撑固定机器人电路主板(106)，所述机器人电路主板(106)上焊接机器人硬件电路系统(2)，机器人底盘(102)上安装锂离子电池(107)；所述机器人底盘(102)后方边缘处且在机器人的中间平面上固定有机器人万向轮(108)，处于垂直投影面上两个直流减速电机车轮(101)和机器人万向轮(108)呈等边三角形，机器人外壳(104)吻合地安装在机器人底盘(102)边缘上；

所述硬件电路系统(2)至少包括单片机模块(208)及其控制的红外测速模块(209)、红外测距模块(200)、LED模块(201)、SD卡(202)、颜色识别模块(207)、人机交互模块(204)、导航模块(206)、电机驱动模块(203)和无线通信模块(205)，所述红外测速模块(209)焊接在机器人电路主板(106)的下方，其余模块焊接在机器人电路主板(106)上方；所述红外测距模块(200)和LED模块(201)设置在机器人电路主板(106)的边缘处，单片机模块(208)焊接在机器人电路主板(106)中心，其余的模块焊接在其余的空间处；人机交互模块(204)和导航模块(206)通过排针安装在机器人电路主板(106)上方，人机交互模块(204)支撑在电机驱动模块(203)和无线通信模块(205)的上方；颜色识别模块(207)焊接在红外测距模块(200)和LED模块(201)后面；

所述红外测距模块(200)和LED模块(201)至少为两个，相间隔设置在机器人电路主板(106)的四周，且都关于机器人中间平面对称焊接；颜色识别模块(207)至少为两个且关于机器人中间平面对称；

群体机器人的编队过程如下：打开机器人开关(105)启动机器人，开启机器人STM32单片机(20801)定时器，开启DMA通道后，STM32单片机(20801)定时器通过PWM输出通道给定一个初始的PWM脉冲值驱动直流减速电机(109)转动，电子罗盘模块(20602)实时测量机器人平台当前航向角度，每隔40ms，STM32单片机(20801)读取一次测得的航向角度，并与通过无线通信模块(205)发送的邻居机器人的角度或者颜色识别模块(207)直接追踪邻居机器人LED模块(201)而得到的邻居机器人的角度比较作减法运算，运算结果乘以一个比例系数；同时，红外测距传感器模块(20001)实时测量该机器人与周围邻居机器人之间的距离，然后STM32单片机(20801)每隔2ms采集一次数据，当采集到10组数据后，进行均值滤波处理，得到的距离值与预期的控制距离作比较，比较结果乘以一个比例系数；两个环节的运算结果均与起始输入的PWM脉冲值作比较，最终的结果经过系统限幅环节作为直流减速电机(109)角速度的控制输入量；如此循环往复，各个群体机器人的平台最终以一致的方向角和固定的相对距离运行，自主完成对齐、聚集和分散的编队任务；同时，每隔80ms，人机交互模块(204)更新显示数据，给用户实时提供需要的数据。

2.如权利要求1所述的一种自主编队移动群体机器人，其特征在于，所述的LED模块由全彩的RGB-LED模块组成，可以发出任意色彩的灯光，LED模块用于发出不同颜色的灯光切换机器人身份。

3.如权利要求1所述的一种自主编队移动群体机器人，其特征在于，所述无线通信模块(205)至少包括WIFI模块(20501)、ZigBee模块(20502)和蓝牙模块(20503)，导航模块(206)至少包括三轴加速度计三轴陀螺仪模块(20601)和电子罗盘模块(20602)，所述单片机模块(208)右前方焊接三轴加速度计三轴陀螺仪模块(20601)，右方通过排针支撑后焊接电子罗盘模块(20602)，左前方焊接ZigBee模块(20502)，左后方焊接WIFI模块(20501)，WIFI模块(20501)后面焊接电机驱动模块(203)，电机驱动模块(203)包括2个电机接线端口(20301)和1个电机驱动芯片(20302)，电机驱动芯片(20302)右边焊接2个电机接线端口(20301)，电机接线端口(20301)右后方焊接蓝牙模块(20503)。

4.如权利要求1所述的一种自主编队移动群体机器人，其特征在于，所述红外测距模块(200)、颜色识别模块(207)对应处的机器人外壳(104)上设有通孔，以便红外线的发射与接收和颜色的追踪。

5.如权利要求1所述的一种自主编队移动群体机器人，其特征在于，所述红外测速模块(209)为两个，正对准直流减速电机车轮(101)上的光电码盘且关于机器人中间平面对称焊接在机器人电路主板(106)下方，所述红外测速模块(209)在红外测距模块(200)的基础上增加了电压比较模块而成，可测量直流减速电机车轮(101)的角速度，测得的角速度可用于机器人路径规划和增加反馈控制环节。