CN112083722A - 一种移动机器人多机多楼层调度系统及调度方法 - Google Patents
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Abstract
一种移动机器人多机多楼层调度系统及调度方法，包括如下步骤：机器人上报当前位置和目标任务路径给调度后台；调度后台设置楼层地图干涉区域的大小，并由此将楼层地图划分成若干个依次相连的栅格；调度后台预判机器人目标任务路径所经过的栅格区域是否与其它机器人产生干涉，并将干涉的栅格区域标记为黑色，同时根据黑色栅格的数量调度机器人行走、避让、等待或重新规划路线。本发明通过对机器人所在位置地图进行栅格化处理，并可根据实际需求重新分配栅格大小，提前解决机器人的干涉问题，提高运算效率，预判效果好，可以解决多楼层停靠站点干涉、过门相向而行、窄通道相向而行时的干涉问题。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种移动机器人多机多楼层调度系统及调度方法。
背景技术
无论是在智能机器人还是无人驾驶领域，移动机器人或无人车均需进行路径规划和行走，当多台机器人在同一空间，特别是狭窄通道中通过时，很容易出现相互干涉甚至死锁的现象，因此，如何实现多机同时有效行走而互不干扰是调度管理后台的重要任务，对多台机器人的运行起着非常关键的作用。而且，机器人除了需要在一个平面上移动执行任务外，往往还需要在不同的楼层间执行任务，如医院配送机器人，需要将物品配送到不同楼层的不同科室，因而需要在不同栅格地图间定位、移动，调度后台需要面对更复杂的调度任务。多机运行的调度方法一般是多台机器人通过反馈位置信息，经过合理的数学模型和算法处理，最终得到执行任务的先后逻辑次序。但现有的调度方法是基于同一张地图，在同一张地图上进行路径规划，通过路径是否交叉来判断是否产生干涉，这样在狭窄空间下很容易导致机器人停机死锁，导致执行任务失败的问题，而且也不能解决多台机器人在多楼层间执行任务过程中的冲突和交叉干扰问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种移动机器人多机多楼层调度系统、以及使用该系统的调度方法，该系统和方法可提前对多台机器人在多楼层间的路径干涉情况进行预判，并可根据预判结果采取相应的行走方案，预判效果好，使机器人行走更顺畅避免死锁。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，包括如下步骤：
S1、机器人上报当前位置和目标任务路径给调度后台，当前位置信息记为P(x,y,z,r)，其中x为在栅格地图中的横坐标，y为在栅格地图中的纵坐标，z为楼层号，r为机器人编号；目标任务路径为机器人自主规划的行走路径，包括不同楼层间执行任务时的路径规划及行走方案(电梯、自动门)等,目标任务路径是由栅格地图上多个位点组成，包括最终的任务目标点。
调度后台存储有各楼层的地图，楼层地图由机器人扫描环境信息后上传，系统初始化第一次会上报地图，当调度后台存储有地图后，后续机器人无需再上传。
S2、调度后台设置机器人所在楼层、途径楼层及目标楼层的干涉区域的长度L和宽度K，并以楼层地图上的原点为基点，以原点坐在的栅格——以位点(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)围成的栅格为基准栅格，以长度L、宽度K的一个栅格大小为基准，依次向外扩展直至覆盖整个地图，如此将楼层地图划分成若干个依次相连的栅格。干涉区域的大小(长度和宽度)根据场景设置好后，后续任务不需要变更。
S3、调度后台预判机器人目标任务路径所经过的栅格区域是否与系统中其它机器人路径经过的栅格区域产生干涉，并将产生干涉的栅格区域标记为黑色，同时计算路径区域上黑色栅格区域的数量。
其中，机器人模型设置有膨胀体积，计算栅格干涉情况时，加入机器人的膨胀占用以规避干涉。当机器人需要在多楼层间进行停靠时，机器人路径必然会经过电梯等楼层间的公共区域，此时需要计算该时段这些公共区域是否有其它机器人或设备占用。当有过门通道、窄通道时，特别是只能容纳一台机器人通过时，计算栅格占用要考虑机器人通过时这些通道两端和通道内栅格的占用情况，如机器人要通过窄通道时，机器人到达通道口的前一栅格时，如窄通道的另一端有其它机器人即将到达通道口并计划通过该窄通道，或者该通道内有其它机器人正在通过，则将通道内的所有栅格均标记为占用。
而机器人执行任务有先后顺序，调度后台根据机器人请求任务的先后顺序设置优先级别，先请求任务的机器人相较于后请求的机器人具有优先级别。假设机器人A先请求开始任务，当后请求任务的机器人B的路径上的栅格与机器人A的路径上的栅格产生干涉时，机器人A上的相应栅格不会被标记为占用，机器人A也不会被锁住，而机器人B的相应栅格则会被锁住，没锁住的A机器人可以通过该栅格区域，通过之后该栅格区域占用释放，机器人B可以通过该栅格区域。由于在机器人B在执行任务之前或在行走至被占用栅格之前，调度后台已经预先对栅格占用情况进行了计算，机器人B根据栅格占用情况已经采取了相应的措施，如重新规划路线、原地等待栅格释放或行走至栅格附近等待栅格释放，因此不会出现路线堵死的情况。
S4、当黑色栅格数量为零时，调度后台发送指令给机器人，允许机器人行走执行任务直至到达目标点；当黑色栅格数量大于零而小于第一临界阈值时，调度后台发送允许行走指令给机器人，同时将标记的黑色栅格信息发送给机器人，当机器人行走至黑色栅格的前一栅格时，停车等待，直至黑色栅格标记为白色后，解除等待继续行走直至到达目标点；当黑色栅格数量大于或等于第一临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走，机器人停车等待直至黑色栅格数量小于第一临界阈值，调度后台发送允许行走指令给机器人，机器人按照S3步骤中黑色栅格的数量行走，直至到达目标点。
进一步优选的技术方案是，为避免机器人等待时间过长，当黑色栅格数量大或等于第二临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走并要求机器人重新规划路径，机器人重新规划行走路径后，按照上述S1-S4步骤中的方法进行调度，所述第二临界阈值大于第一临界阈值。
进一步优选的技术方案是，所述第二临界阈值为10。
进一步优选的技术方案是，所述S2步骤中的L＝K＝2～5m。相对于传统的边长为0.05m的正方形栅格的栅格地图，本发明将栅格区域扩大，有利于减小计算量，提前判断两个机器人的位置情况，提前规避了干涉问题。如果栅格很小，发现有干涉，机器人已经来不及规避干涉了。
进一步优选的技术方案是，所述S3步骤中的第一临界阈值为3。
进一步优选的技术方案是，为方便计算，所述栅格地图中各楼层的原点(0,0)在垂直方向上位于同一位置。各楼层地图的坐标以楼层号来区分。
一种移动机器人的多楼层调度系统，包括调度后台和移动机器人，调度后台分别与多台移动机器人通信连接，所述调度后台中存储有各楼层的楼层地图，所述楼层地图划分成若干连续的栅格，每个栅格的长度为L、宽度为K，原点(0,0)所在栅格的四个点的坐标分别为(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)，原点位于该栅格的中心；当某一栅格区域被占用时，则将该栅格标记为黑色，当栅格区域未被占用时，则将该栅格标记为白色。各楼层的栅格地图中的位点以其在栅格地图中的坐标来表示，不同楼层中的位点以不同的楼层号z值来区分。
进一步优选的技术方案是，所述L＝K＝2～5m，则原点处的栅格为由位点(-L/2,L/2)、(L/2,L/2)、C(L/2,-L/2)、(-L/2,-L/2)围成的矩形栅格，其余栅格以此为基准依次展开并覆盖整个地图。为方便计算和统筹，所述栅格地图中各楼层的原点(0,0)在垂直方向上位于同一位置。
本发明通过对机器人所在位置地图进行栅格化处理，将地图划分成若干栅格，不同机器人对应不同的栅格化地图，可以根据实际需求重新分配栅格大小，提前解决机器人的干涉问题，提高运算效率，相比于多台机器人在同一张地图上进行规划和干涉预判，运算相对简单；本发明通过栅格在同一时间重合与否来判断干涉与否，相比于通过路径是否交叉来判断是否干涉的方法，可以解决多楼层停靠站点干涉、过门相向而行、窄通道相向而行时的干涉问题，预判效果好，并通过提前预判可能存在的干涉数量来调度机器人的行走，在兼顾机器人行走更顺畅的同时也可同时保证机器人的通行效率，并且可以重新分配栅格大小，提前解决机器人相向而行的问题，提前拒绝任务避免死锁；本发明的调度方法可对应多张地图多个楼层，不干涉路径规划，也不影响原来的地图，机器人可在多个楼层间移动，只需要上传机器人位置和路径、楼层号即可，可实现多台机器人在多楼层间的调度，可应用于机器人在多楼层间执行配送任务。
附图说明
图1为本发明实施例中栅格地图的示意图。
图2为本发明实施例中另一楼层栅格地图的示意图。
图3为本发明实施例中调度方法的流程示意图。
具体实施方式
一种移动机器人的多楼层调度系统，包括调度后台和移动机器人，调度后台分别与多台移动机器人通信连接，所述调度后台中存储有各楼层的楼层地图，所述楼层地图划分成若干依次相连的栅格，每个栅格的长度为L、宽度为K，原点(0,0)所在栅格的四个点的坐标分别为(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)，原点位于该栅格的中心，其余栅格在此基础上依次向外扩展，直至覆盖整个地图；当某一栅格区域被占用时，则将该栅格标记为黑色，当栅格区域未被占用时，则将该栅格标记为白色。各楼层的栅格地图中的位点以其在栅格地图中的坐标来表示，不同楼层中的位点以不同的楼层号z值来区分。
优选L＝K＝2～5m，则原点的原点区域为由位点(-L/2,L/2,z)、(L/2,L/2,z)、C(L/2,-L/2,z)、(-L/2,-L/2,z)围成的矩形栅格，其余栅格以此为基准依次展开并覆盖整个地图。为方便计算和统筹，所述栅格地图中各楼层的原点(0,0)在垂直方向上位于同一位置。
一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，包括如下步骤：
S1、机器人上报当前位置和目标任务路径给调度后台，当前位置信息记为P(x,y,z,r)，其中x为在栅格地图中的横坐标，y为在栅格地图中的纵坐标，z为楼层号，r为机器人编号；目标任务路径为机器人自主规划的行走路径，包括不同楼层间执行任务时的路径规划及行走方案(电梯、自动门)等,目标任务路径是由栅格地图上多个位点组成，包括最终的任务目标点。调度后台存储有各楼层的地图，楼层地图由机器人扫描环境信息后上传，系统初始化第一次会上报地图，当调度后台存储有地图后，后续机器人无需再上传。
S2、调度后台设置楼层的干涉区域的长度L和宽度K，并以楼层地图上的原点为基点，以原点坐在的栅格——以位点(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)围成的栅格为基准栅格，以长度L、宽度K的一个栅格大小为基准，依次向外扩展直至覆盖整个地图，如此将楼层地图划分成若干个栅格；优选L＝K＝2～5m。相对于传统的边长为0.05m的正方形栅格的栅格地图，本发明将栅格区域扩大，有利于减小计算量，提前判断两个机器人的位置情况，提前规避了干涉问题。如果栅格很小，发现有干涉，机器人已经来不及规避干涉了。干涉区域的大小(长度和宽度)根据场景设置好后，后续任务不需要变更。
S3、调度后台预判机器人目标任务路径所经过的栅格区域是否与系统中其它机器人路径经过的栅格区域产生干涉，并将产生干涉的栅格区域标记为黑色，同时计算路径区域上黑色栅格区域的数量。
其中，机器人模型设置有膨胀体积，计算栅格干涉情况时，加入机器人的膨胀占用以规避干涉。当机器人需要在多楼层间进行停靠时，机器人路径必然会经过电梯等楼层间的公共区域，此时需要计算该时段这些公共区域是否有其它机器人或设备占用。当有过门通道、窄通道时，特别是只能容纳一台机器人通过时，计算栅格占用要考虑机器人通过时这些通道两端和通道内栅格的占用情况，如机器人要通过窄通道时，机器人到达通道口的前一栅格时，如窄通道的另一端有其它机器人即将到达通道口并计划通过该窄通道，或者该通道内有其它机器人正在通过，则将通道内的所有栅格均标记为占用。
而机器人执行任务有先后顺序，调度后台根据机器人请求任务的先后顺序设置优先级别，先请求任务的机器人相较于后请求的机器人具有优先级别。假设机器人A先请求开始任务，当后请求任务的机器人B的路径上的栅格与机器人A的路径上的栅格产生干涉时，机器人A上的相应栅格不会被标记为占用，机器人A也不会被锁住，而机器人B的相应栅格则会被锁住，没锁住的A机器人可以通过该栅格区域，通过之后该栅格区域占用释放，机器人B可以通过该栅格区域。由于在机器人B在执行任务之前或在行走至被占用栅格之前，调度后台已经预先对栅格占用情况进行了计算，机器人B根据栅格占用情况已经采取了相应的措施，如重新规划路线、原地等待栅格释放或行走至栅格附近等待栅格释放，因此不会出现路线堵死的情况。
S4、当黑色栅格数量为零时，调度后台发送指令给机器人，允许机器人行走执行任务直至到达目标点；当黑色栅格数量大于零而小于第一临界阈值时，调度后台发送允许行走指令给机器人，同时将标记的黑色栅格信息发送给机器人，当机器人行走至黑色栅格的前一栅格时，停车等待，直至黑色栅格标记为白色后，解除等待继续行走直至到达目标点；当黑色栅格数量大于或等于第一临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走，机器人停车等待直至黑色栅格数量小于第一临界阈值，调度后台发送允许行走指令给机器人，机器人按照S3步骤中黑色栅格的数量行走，直至到达目标点。第一临界阈值优选3。
为避免机器人等待时间过长，当黑色栅格数量大于或等于第二临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走并要求机器人重新规划路径，机器人重新规划行走路径后，按照上述S1-S4步骤中的方法进行调度，所述第二临界阈值大于第一临界阈值，第二临界阈值优选10。
为方便计算，所述栅格地图中各楼层的原点(0,0)在垂直方向上位于同一位置，各楼层地图的坐标以楼层号来区分。
为进一步阐述本发明的技术方案，下面以一个具体的例子加以说明。
两机器人r1、r2停靠在同一楼层，楼层号为z1，图1为两机器人停靠的楼层地图，其中，白色部分表示可以通行区域，灰色表示未知区域，黑色表示障碍物，O点为该楼层地图的原点，B点为机器人r1的停靠点，C点为机器人r2的停靠点，两机器人同时需要去往位于另一楼层(楼层号为z2)的D区，D区所在楼层的楼层地图如图2所示。如图3所示，调度方法如下：
1.两机器人r1、r2根据要执行的任务规划目标任务路径，同时或先后向调度后台发送任务请求，并上报其所在的位置信息和目标任务路径。位置信息包括楼层号z、机器人定位位姿(x,y),机器人编号r，记为pos(x，y，z，r)，x为地图横坐标，y为地图纵坐标，z为楼层号，r为机器人编号。
2.调度后台根据实际情况设置机器人所在楼层、途径楼层及目标楼层的干涉区域长为L，宽为K，此实施例中，取L＝K，默认不同楼层原点区域相同，位于z1楼层的地图的原点O为(0,0,z1)，以该原点为中心，原点区域为由O1(-L/2,L/2)、O2(L/2,L/2)、O3(L/2,-L/2)、O4(-L/2,-L/2)围成的矩形栅格，以该矩形栅格的位置和大小为基准，依次向外扩展直至覆盖整个地图，如此将楼层地图划分成由大小相等的若干个栅格，以利于后续界定和区分干涉与否。
3.调度后台计算机器人的任务路径所覆盖的栅格区域，并与系统中其它机器人的任务路径所覆盖的栅格区域相比较，如果在同一时刻，任务路径上有栅格区域被其它机器人占用，则将该机器人栅格地图上的该栅格区域标记为黑色。以上面机器人r1、r2为例，假设机器人r1、r2去D区的路径(图1中曲线部分)都要经过原点O(如原点为电梯区、通道等)时，则机器人r1、r2的路径均覆盖原点O所在的栅格区，如果调度后台计算出机器人r1、r2将先后到达原点，则不存在干涉，两机器人栅格地图上的原点栅格均为白色；如果调度后台计算出机器人r1、r2将同时到达原点，则判断存在干涉，将后发送任务请求的机器人的栅格地图上的原点栅格标记为黑色，而先发送请求的机器人地图的原点栅格仍为白色。
4.调度后台统计机器人栅格地图上黑色栅格的数量，并根据栅格数量发送相应的指令给机器人，具体如下：
(1)当没有黑色栅格时，表示机器人的路径与其它机器人的路径不发生干涉，调度后台发送指令给机器人，允许机器人行走，机器人按照规划的路径行走执行任务，直至到达目标点。
(2)当黑色栅格数量大于零而小于第一临界阈值(可设为3)时，调度后台发送允许行走指令给机器人，同时将栅格地图上标记的黑色栅格信息发送给机器人，当机器人行走至黑色栅格的前一栅格(如两栅格区域的临界点)时，停车等待，直至被占用的黑色栅格解除占用标记为白色后，解除等待继续行走，如此依次经过原来标记为黑色的栅格直至到达目标点。
(3)当黑色栅格数量大于或等于第一临界阈值而小于第二临界阈值(可设为10)时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走，机器人停车等待直至黑色栅格数量小于第一临界阈值，调度后台发送允许行走指令给机器人，机器人按照上述步骤(1)(2)中黑色栅格的数量行走，直至到达目标点。
(4)当黑色栅格数量大于或等于第二临界阈值(可设为10)时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走并要求机器人重新规划路径，机器人重新规划行走路径，机器人和管理后台按照上述1-4步骤中的方法重新进行预判和调度，直至机器人到达目标点。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (8)
1.一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、机器人上报当前位置和目标任务路径给调度后台，当前位置信息记为P(x,y,z,r)，其中x为在所在楼层地图中的横坐标，y为在所在楼层地图中的纵坐标，z为楼层号，r为机器人编号；
S2、调度后台设置机器人所在楼层、途径楼层及目标楼层的干涉区域的长度L和宽度K，并以楼层地图上位点(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)围成的栅格为基准栅格，以长度L、宽度K的一个栅格大小为基准，将楼层地图划分成若干个依次相连的栅格；
S3、调度后台预判机器人目标任务路径所经过的栅格区域是否与系统中其它机器人路径经过的栅格区域产生干涉，并将产生干涉的栅格区域标记为黑色，同时计算路径区域上黑色栅格区域的数量；
S4、当黑色栅格数量为零时，调度后台发送指令给机器人，允许机器人行走执行任务直至到达目标点；当黑色栅格数量大于零而小于第一临界阈值时，调度后台发送允许行走指令给机器人，同时将标记的黑色栅格信息发送给机器人，当机器人行走至黑色栅格的前一栅格时，停车等待，直至黑色栅格标记为白色后，解除等待继续行走直至到达目标点；当黑色栅格数量大于或等于第一临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走，机器人停车等待直至黑色栅格数量小于第一临界阈值，调度后台发送允许行走指令给机器人，机器人按照S3步骤中黑色栅格的数量行走，直至到达目标点。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，所述L＝K＝2～5m。
3.根据权利要求1所述的一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，所述S3步骤中的第一临界阈值为3。
4.根据权利要求1所述的一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，当黑色栅格数量大于或等于第二临界阈值时，调度后台发送指令给机器人，拒绝机器人行走并要求机器人重新规划路径，机器人重新规划行走路径后，按照所述S1-S4步骤中的方法进行调度，所述第二临界阈值大于第一临界阈值。
5.根据权利要求4所述的一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，所述第二临界阈值为10。
6.根据权利要求1所述的一种移动机器人多机多楼层运行的调度方法，其特征在于，所述栅格地图中各楼层的原点在垂直方向上位于同一位置。
7.一种移动机器人的多楼层调度系统，其特征在于，包括调度后台和移动机器人，调度后台分别与多台移动机器人通信连接，所述调度后台中存储有各楼层的楼层地图，所述楼层地图划分成若干连续的栅格，每个栅格的长度为L、宽度为K，原点(0,0)所在栅格的四个点的坐标分别为(-L/2,K/2)、(L/2,K/2)、(L/2,-K/2)、(-L/2,-K/2)；当某一栅格区域被占用时，则将该栅格标记为黑色，当栅格区域未被占用时，则将该栅格标记为白色。
8.根据权利要求7所述的一种移动机器人的多楼层调度系统，其特征在于，所述L＝K＝2～5m，所述栅格地图中各楼层的原点(0,0)在垂直方向上位于同一位置。
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