CN111857114A - 一种机器人编队移动方法、系统、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人编队移动方法、系统、设备和存储介质，所述机器人编队移动方法，包括：从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，其中，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人；所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动。依靠主动机器人进行定位和导航，若干从动机器人跟随主动机器人协同作业，能够有效降低成本，灵活性大。
Description
技术领域
本发明涉及多机器人编队控制领域，尤其涉及一种机器人编队移动方法、系统、设备和存储介质。
背景技术
多机器人编队指利用一个能够精准定位的领航机器人及相配合有多个跟随机器人进行协同作业，作业过程的定位和导航若单纯依靠激光进行定位和导航不仅需要预设轨迹，并且成本较高，但是单纯用视觉进行定位对光照变化和场景变化鲁棒性不如激光，并且双目恢复的精度(即双目相机获取图像的深度)和测距范围不如激光。
综上现有的编队方法有以下几点局限性:1、依靠激光定位的机器人成本高；2、只依靠视觉无法较为鲁棒完成定位、路径规划、避障等操作3、多机器人采用机械挂钩，机械挂钩关联群作业机器人运动和灵活性较差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种机器人编队移动方法、系统、设备和存储介质。
根据本发明的一个方面，提供了一种机器人编队移动方法，其特征在于，包括：
从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，其中，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人；
所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动。
进一步的，所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识进行移动的过程为：
采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识；
计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动。
进一步的，所述计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，包括：
以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；
所述从动机器人标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)；
标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)。
进一步的，根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，包括：
根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差；
分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度。
进一步的，所述主动机器人接收目标位置，基于预先建立的特征点地图，通过定位导航系统生成从当前位置至目标位置的移动路径。
根据本发明的另一个方面，提供了一种机器人编队移动系统，包括：编队模块，配置用于控制从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队；
移动模块，配置用于控制所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动，其中，所述串级分层结构编队中第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人，并且上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人。
进一步的，所述移动模块包括：
标识识别单元，配置用于采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识；
控制单元，配置用于计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动。
进一步的，所述计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，包括：
以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；
所述从动机器人标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)；
标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)。
进一步的，根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，包括：
根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差；
分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种设备，所述设备包括：一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上任一项所述的方法。
根据本发明的另一个方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明示例的一种机器人编队移动方法，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人，串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，依靠主动机器人进行定位和导航，若干从动机器人跟随主动机器人移动，进行协同作业，可以根据实际运输量增加或减少从动机器人数量，编队时数量上具有较强的灵活性，不会出现因运输量少导致机器人空跑的现象，有效降低成本；并且从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，依据主动机器人的运动实现机器人编队的避障和路径优化。
2、本发明示例的一种机器人编队移动系统，编队模块控制从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，其中，所述串级分层结构编队中第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人，并且上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，移动模块控制所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动，依据主动机器人的运动实现机器人编队的避障和路径优化，另外，可以根据实际运输量增加或减少从动机器人数量，编队时数量上具有较强的灵活性，不会出现因运输量少导致机器人空跑的现象，有效降低成本。
3、本发明示例的设备，通过处理器执行机器人编队移动方法，从动机器人根据主动机器人的运动轨迹进行视觉跟踪，确定自身的前进速度和角速度，进而实现依据主动机器人的运动实现机器人编队的避障和路径优化，能够根据实际运输量增加或减少机器人数量，有效降低机器人运输成本，并增加运输的灵活性。
4、本发明示例的可读存储介质，存储有被处理执行时实现的所述机器人编队移动方法，便于机器人编队移动系统的使用及推广。
附图说明
图1为本发明机器人编队移动方法的流程图；
图2为机器人的结构示意图；
图3为本发明的计算机系统的结构示意图。
其中，1、跟踪标识；2、机器人。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例的一种机器人编队移动系统，包括：
编队模块，配置用于控制从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述跟踪标识用于标识每个所述机器人，所述跟踪标识可以为特定图案，特定图案包括但不限于二维码、I D码，优选使用二维码；其中，串级分层结构进行编队即编队时将从动机器人分为若干级，上一级的从动机器人是其下一级从动机器人的领航机器人，对应下一级从动机器人是其上一级从动机器人的跟随机器人。
移动模块，配置用于控制所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动，其中，所述串级分层结构编队中第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人，并且上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，具体包括，标识识别单元，配置用于采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识，其中，标识识别单元包括标识识别设备、通信设备，标识识别设备可以为相机，相机既可以独立于机器人单独存在，使用时固定在机器人上即可，也可以内置于机器人内部，用于采集跟踪标识的图像信息，通过通信设备传输至控制单元；控制单元配置用于计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，控制量计算过程为：所述标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)。以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)；进一步的，根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，包括：根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差；分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度，从动机器人根据主动机器人的运动轨迹进行视觉跟踪，确定自身的前进速度和角速度，进而实现依据主动机器人的运动实现机器人编队的避障和路径优化。
上述机器人编队移动系统对应的机器人编队移动方法，包括：
S1、从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，其中，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人；
S2、所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动。所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识进行移动的过程为：采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识；计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，具体包括：
S2-1、以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；
S2-2、所述从动机器人标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)，由于跟踪标识一般粘贴于机器人上，因此跟踪标识的位置可以表达为相应机器人所在的位置；
S2-3、标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)；
S2-4、根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差，其中，距离误差为:
角度误差为:
S2-5、分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度，本实施例预设映射函数为：
机器人Ri(i＝1,2,…N)控制量包括前进速度vi、wi，vi＝f(edist)、wi＝f(eangle)，其中KP，KI，KD分别为比例系数、积分系数、微分系数，由使用者进行设定并根据实际运输情况进行相应的参数调节。
以下举例对机器人编队移动系统及其移动方法进一步说明，机器人编队移动系统包括一个主动机器人及若干从动机器人，主动机器人R0的导航方式包括但不限于手动驾驶或基于激光定位导航，其中，标识识别单元包括标识识别设备、通信设备，标识识别设备可以为相机，用于采集跟踪标识的图像信息，通过通信设备传输至控制单元；最前方为主动机器人,设为R0，从动机器人依次为R1,R2…RN,N为从动机器人个数，所有机器人R0-RN的贴有用于识别的特定图案(如二维码图案)，作为可选方案，特定图案贴于机器人尾部，标识识别设备置于机器人前部，方便下一级机器人通过标识识别单元采集并识别上一级机器人的特定图案，从动机器人Ri(i＝1,2,…N)的导航方式为：依次识别前一个机器人Ri-1尾部的二维码，跟踪前一个机器人进行运动，使用时可以根据实际运输量增加或减少从动机器人数量，机器人编队移动方法为：
1、计算特定图案在从动机器人坐标系下的位置pB：从动机器人Ri(i＝1,2,…N)识别前一个机器人Ri-1(从动机器人的领航机器人)尾部的特定图案(跟踪标识)，并计算前一个机器人Ri-1在当前机器人坐标系下的位置，计算方法如下：设相机坐标系为{C}，检测到特定图案在相机中的三维位置pC＝(xC,yC,zC),对于每一个从动机器人，以机器人中心为坐标原点，前方为x轴，右方为y轴建立机器人坐标系{B}。相机坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB(TCB为硬件参数，根据相机安装位置直接获取，其中，坐标系间的位姿转换是指将一个点的坐标从一个坐标系转换到另一个坐标系，两个坐标系坐标间的转换关系为两个坐标系的位姿转换关系),经过位姿转换可以直接计算出上一级机器人特定图案在自身坐标系下的位置pB＝TCBpC。
2、计算从动机器人移动控制量的前进速度和角速度：主动机器人基于导航系统接收目标位置，导航系统生成从当前位置至目标位置的移动路径，通过预先建立的特征点地图，主动机器人导航方式包括但不限于手动驾驶或基于激光定位导航，从动机器人根据前一个机器人尾部图案位置pB生成当前机器人的控制量，其方法如下：设pB＝(xB,yB,zB)，预先设定跟踪距离为L(如0.5米)，跟踪误差计算方式如下距离误差:
角度误差:
预设映射函数为
基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度：vi＝f(edist)、wi＝f(eangle)，其中KP，KI，KD分别为比例系数、积分系数、微分系数，由使用者进行设定并根据实际运输情况进行相应的参数调节，从动机器人能够依据主动机器人的运动轨迹和视觉跟踪，可扩展性强，解决仓储中机器人编队作业成本高、可扩展性弱、灵活性低等问题。
本实施例提供了一种设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上任一项所述的机器人编队移动方法。
本实施例提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上任一项所述的机器人编队移动方法。进一步介绍如下：
计算机系统包括中央处理单元(CPU)101，其可以根据存储在只读存储器(ROM)102中的程序或者从存储部分加载到随机访问存储器(RAM)103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM103中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 101、ROM 102以及RAM 103通过总线104彼此相连。输入/输出(I/O)接口105也连接至总线104。
以下部件连接至I/O接口105：包括键盘、鼠标等的输入部分106；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分；包括硬盘等的存储部分108；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分109。通信部分109经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器也根据需要连接至I/O接口105。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分108。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图3描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例1包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)101执行时，执行本申请的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例1的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括编队模块、移动模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，编队模块还可以被描述为“用于控制从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队的编队模块”。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的机器人编队移动方法。
例如，所述电子设备可以实现如图1中所示的：步骤S1：从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，其中，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人；步骤S2：所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。
Claims (11)
1.一种机器人编队移动方法，其特征在于，包括：
从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队，所述串级分层结构编队中上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人，其中，第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人；
所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动。
2.根据权利要求1所述的机器人编队移动方法，其特征在于，
所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识进行移动的过程为：
采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识；
计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动。
3.根据权利要求2所述的机器人编队移动方法，其特征在于，所述计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，包括：
以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；
所述从动机器人标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)；
标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)。
4.根据权利要求3所述的机器人编队移动方法，其特征在于，根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，包括：
根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差；
分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度。
5.根据权利要求1所述的机器人编队移动方法，其特征在于，所述主动机器人接收目标位置，基于预先建立的特征点地图，通过定位导航系统生成从当前位置至目标位置的移动路径。
6.一种机器人编队移动系统，其特征在于，包括：
编队模块，配置用于控制从动机器人通过识别跟踪标识采用串级分层结构进行编队；
移动模块，配置用于控制所述从动机器人识别其自身领航机器人的跟踪标识，跟随其自身领航机器人进行移动，其中，所述串级分层结构编队中第一级所述从动机器人以主动机器人为领航机器人，并且上一级所述从动机器人是其下一级所述从动机器人的领航机器人。
7.根据权利要求1所述的机器人编队移动系统，其特征在于，所述移动模块包括：
标识识别单元，配置用于采集并识别其自身领航机器人的跟踪标识；
控制单元，配置用于计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，并根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动。
8.根据权利要求1所述的机器人编队移动系统，其特征在于，
所述计算其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB，包括：
以所述从动机器人中心为坐标原点，建立机器人坐标系{B}；
所述从动机器人标识识别单元的坐标系为{C}，所述跟踪标识在标识识别单元中的三维位置为pC＝(xC,yC,zC)；
标识识别单元坐标系到机器人坐标系的位姿转换关系为TCB,则其领航机器人在其自身坐标系下的位置pB＝TCBpC＝(xB,yB,zB)。
9.根据权利要求8所述的机器人编队移动系统，其特征在于，根据所述位置pB计算其自身的移动控制量并基于所述移动控制量进行移动，包括：
根据坐标pB基于预设跟踪距离L计算跟踪的距离误差、角度误差；
分别根据距离误差、角度误差基于预设映射函数计算移动控制量的前进速度和角速度。
10.一种设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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