CN111176296B - 一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，属于机器人技术领域。该方法设计了N面携带相同结构尺寸，不同信息的码盘式结构，视觉系统与条形码相结合，通过编队控制算法设定摄像头和条形码的距离和角度，摄像头不断地识别码盘上的条形码，判断并筛选出视野里最有效的条形码，计算出该条形码位姿用以调整自身的速度和角度，使得摄像头和条形码保持在设定的距离和角度，从而保持特定的机器人编队队形。通过对领导机器人的路径规划，带动整个编队到达目标地点。本发明使用码盘上多个条形码配合视觉系统进行编队控制，解决了转弯避障过程中信息易丢失的问题，并且识别的位姿特征明显，处理快速，设计成本低，容错率高。

Description

一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法

背景技术

现如今多机器人集群越来越多的应用到我们的生产和生活当中，多移动机器人作为重要的搬运和巡检工具,自动化程度高、工作效率高,可以节省人工成本。当前研究方向中使用较多的是通过视觉识别条形码来达到多机器人协同的作用，这样会由于领导机器人因避障转角过大导致引导信息丢失的问题，而且识别速度远远比不上条形码，导致移动机器人编队过程中显的笨重，不太灵活。这里使用条形码盘和视觉系统相结合的方法，很轻松的能解决上述的问题，并且可以根据码盘上条形码的位置的变化灵活编队，避免了大量去设计大量的编队队形和队形编队变换策略。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：在领航机器人周围设计一个2ⁿ个面体码盘，n＝4,5,6，每个面都均等且垂直于地面，每个面宽度不超过5CM，每个面上相同位置放置携带相同结构尺寸但不同信息的条形码，并将条码全部按照竖直方向排列，假设n＝4；顺序按照条形码编号1,5,9,13,2,6,10,14,3,7,11,15,4,8,12,16依次相连，形成一个闭环式多面体码盘；

S2：跟随机器人利用自主导航至目标区域，采用编队控制算法控制摄像头与条形码距离与方向，使得摄像头正对着条形码面，并通过控制一定的距离，使得领航机器人与跟随机器人形成特定的队形，初步利用条形码码盘形成编队；

S3：当领航机器人开始自主导航时，通过摄像头识别码盘上的条形码，筛选视野里最优条形码用于计算移动机器人的位姿，调整好了之后重新识别，判断是否正对条形码，通过编队控制算法来调节自身位姿，使得跟随机器人始终能和领导机器人保持设定的距离和方向，以达到保持编队目的；

S4：根据已知地图，领航机器人通过A*算法进行全局路径规划；同时，通过动态窗口算法对每个机器人进行局部路径规划，并将每个局部路径进行整合，使得局部路径只在全局路径上微小变化；

S5：判断机器人编队是否到达目标位置，是，结束编队，否则继续识别码盘上的条形码保持编队。

可选的，所述步骤S1具体包括：

S11：设计多面体条形码码盘，每个面都均等，两两相邻，且每个面均垂直于地面每个面宽度不超过5CM，每个面上相同位置放置携带相同结构尺寸但不同信息的条形码,并将条码全部按照竖直方向排列，顺序按照条形码编号1,2,……,2ⁿ,1依次相连，形成一个闭环式多面体码盘；

S12：利用条形码生成器生成条形码，设置条形码尺寸和内容，将其打印出来置于码盘上的每个面上的相同位置上。

S13：采用张正友标定法对相机进行标定，求出内参，外参和畸变系数；

可选的，所述步骤S2中具体包括：

S21：跟随机器人自主导航至目标区域后，通过视觉采集条形码，微调自身位姿，使得摄像头正对着条形码，对条形码进行标定，标定信息包括中心点坐标和条形码编号；

S22：采用编队控制算法控制摄像头和条形码的距离和角度，使得跟随机器人领航机器人形成一个设定的队形，初步利用码盘形成编队；

S23：编队控制算法位于上层控制器，通过C++代码对当前位姿信息进行调整和控制的一种算法。

可选的，所述步骤S3具体包括：

S31：摄像头识别所有的在视野范围内的条形码编号，筛选并匹配目标区域的最优条形码编号，计算该二维码的位置姿态；

S32：筛选算法通过视觉识别视野里的条形码的宽度，筛选视野宽度最大的条形码作为最优条形码，判断是否正对条形码，是就将当前条形码作为当前码进行识别；

S33：根据计算的位姿，通过编队控制算法调整位姿，使跟随机器人和领导机器人始终保持一定的距离和相同的运动方向，形成编队。

可选的，所述步骤S4具体包括：

S41：基于ROS系统下，建立增量式地图，采用A*算法，规划出一条最佳的路线；

S42：通过动态窗口算法对每个机器人进行局部路径规划，并将每个局部路径进行整合，使得局部路径在全局路径上微量变化。

可选的，所述步骤S5具体包括：

S51：领导机器人到达目标位置，发布结束消息；

S52：跟随机器人通过话题订阅接收消息，停止继续识别条形码，结束跟随过程，编队结束，任务完成。

本发明的有益效果在于：本发明解决了多机器人协同编队的问题，结合SLAM自主导航，充分利用条形码转换的位姿和承载的信息，引导控制机器人编队，大大简化了传统多机器人集群问题。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明条形码码盘条码图案展开样式；

图2为本发明视觉系统识别条形码码盘示意图；

图3为本发明基于条形码码盘编队的控制方法算法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-图3所示，本发明所述的多机器人基于条形码码盘编队的控制方法运行于自主移动的机器人。

图1示出了条形码码盘的示意图。如图1所示，本发明中，N个依次相连的结构相同不同信息的条形码，所述2^n个条形码依次相连之后可以形成一个多面体，并张贴于码盘上多个面同一位置，当n＝4时，16个所述的条形码携带的编号信息依次是1,5,9,13,2,6,10,14,3,7,11,15,4,8,12,16。每一个条形码均携带了一个唯一的编号信息，用来区别识别后的条形码的位姿，并且条形码竖直放置这样分开排列有利于降低识别条形码的误差率。

图2示出了跟随机器人视觉系统识别码盘上条形码示意图，右边条形码为此刻摄像头单帧画面。跟随机器人自主导航至目标区域后，使用编队控制算法校正机器人位姿，使得摄像头正面对准条形码，并保持在设定的距离处，初步形成编队；

图3示出了移动机器人利用条形码码盘控制编队的流程图。

具体实施包括以下几个方面：

(1)自主定位与建图

本发明中移动机器人基于ROS系统导航框架，包括建图，定位和导航等功能。

(2)设计条形码码盘结构和对相机进行标定

设计N个依次相连的结构相同不同信息的条形码，所述N个条形码依次相连之后可以形成一个多面体，并张贴于码盘上多个面同一位置，当n＝4时，16个所述的条形码携带的编号信息依次是1,5,9,13,2,6,10,14,3,7,11,15,4,8,12,16。每一个条形码均携带了一个唯一的编号信息，用来区别识别后的二维码的位姿。然后，使用张正友标定法对相机进行标定，求出相机内参，外参和畸变系数，用于校正相机。

(3)通过条形码码盘控制编队形成

首先，对条形码进行标定，标定的时候使摄像头正对着当前条形码，根据识别距离和视野里条形码数量，设定摄像头与条形码的识别误差<＝2％；然后，通过超声波传感器测出与条形码的距离l，然后摄像头识别条形码的位姿，计算角度偏差θ，根据编队控制算法设定跟随机器人和领航机器人之间的距离和方向，上层控制器将距离l和θ转换成轮速v和角速度ω，下发给底层驱动，用来调节自身位姿，使得跟随机器人跟领航机器人控制在设定的距离和方向，利用条形码码盘来控制编队。

(4)移动机器人编队保持

摄像头识别所有的在视野范围内的条形码编号，筛选算法通过视觉识别视野里的条形码的宽度，筛选视野宽度最大的条形码作为最优条形码，筛选并匹配目标区域的最优条形码编号，计算条形码码的位置姿态，根据计算的位姿，通过编队控制算法调整位姿，使摄像头始终和条形码保持在设定的距离，也就是使得跟随机器人和领导机器人始终保持一定的距离，保持编队持续向目标点运动。

(5)编队过程停止

领导机器人到达目标位置，发布结束消息，跟随机器人通过话题订阅接收消息，停止继续识别二维码，结束跟随过程，编队结束，任务完成。

本实施案例主要应用在多移动人协同搬运的场景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：在领航机器人周围设计一个2ⁿ面体码盘，n＝4,5,6，每个面都均等且垂直于地面，每个面宽度不超过5CM，每个面上相同位置放置携带相同结构尺寸但不同信息的条形码，并将条形码全部按照竖直方向排列；假设n＝4，顺序按照条形码编号1,5,9,13；2,6,10,14；3,7,11,15；4,8,12,16依次相连，形成一个闭环式多面体码盘；

S2：跟随机器人自主导航至目标区域，采用编队控制算法控制摄像头与条形码的距离与方向，使得摄像头正对着条形码面，并通过控制一定的距离，使得领航机器人与跟随机器人形成特定的队形，初步利用条形码码盘形成编队；

S3：当领航机器人开始自主导航时，通过摄像头识别码盘上的条形码，筛选视野里最优条形码用于计算移动机器人的位姿，调整好了之后重新识别，判断是否正对条形码，通过编队控制算法来调节自身位姿，使得跟随机器人始终能和领航机器人保持设定的距离和方向，以达到保持编队目的；

S4：根据已知地图，领航机器人通过A*算法进行全局路径规划；同时，通过动态窗口算法对每个机器人进行局部路径规划，并将每个局部路径进行整合，使得局部路径只在全局路径上微小变化；

S5：判断机器人编队是否到达目标位置，是，结束编队，否则继续识别码盘上的条形码保持编队；

所述步骤S3具体包括：

S31：摄像头识别所有的在视野范围内的条形码编号，筛选并匹配目标区域的最优条形码编号，计算该条形码的位置姿态；

S32：筛选算法通过视觉识别视野里的条形码的宽度，筛选视野宽度最大的条形码作为最优条形码，判断是否正对条形码，是，就将当前条形码作为当前码进行识别；

S33：根据计算的位姿，通过编队控制算法调整位姿，使跟随机器人和领航机器人始终保持一定的距离和相同的运动方向，形成编队。

2.根据权利要求1所述的一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：

S11：设计多面体条形码码盘，每个面都均等，两两相邻，且每个面均垂直于地面每个面宽度不超过5CM，每个面上相同位置放置携带相同结构尺寸但不同信息的条形码，并将条形码全部按照竖直方向排列，依次相连，形成一个闭环式多面体码盘；

S12：利用条形码生成器生成条形码，设置条形码尺寸和内容，将其打印出来置于码盘上的每个面上的相同位置上；

S13：采用张正友标定法对相机进行标定，求出内参，外参和畸变系数。

3.据权利要求1所述的一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，其特征在于：所述步骤S2中具体包括：

S21：跟随机器人自主导航至目标区域后，通过视觉采集条形码，微调自身位姿，使得摄像头正对着条形码，对条形码进行标定，标定信息包括中心点坐标和条形码编号；

S22：采用编队控制算法控制摄像头和条形码的距离和角度，使得跟随机器人领航机器人形成一个设定的队形，初步利用码盘形成编队；

S23：编队控制算法位于上层控制器，通过C++代码对当前位姿信息进行调整和控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括：

S41：基于ROS系统下，建立增量式地图，采用A*算法，规划出一条最佳的路线；

S42：通过动态窗口算法对每个机器人进行局部路径规划，并将每个局部路径进行整合，使得局部路径在全局路径上微小变化。

5.根据权利要求1所述的一种基于条形码码盘的移动机器人编队的控制方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：

S51：领航机器人到达目标位置，发布结束消息；

S52：跟随机器人通过话题订阅接收消息，停止继续识别条形码，结束跟随过程，编队结束，任务完成。

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