CN113311831A - 一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法 - Google Patents

一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，各分布式机器人先不考虑与其他机器人冲突自主计算出行驶路径，之后在执行的过程中根据局部环境信息来调整各自的行驶路径。主要的解决冲突策略为双重优先级退避策略，第一阶段为静态阶段，其中为每个机器人分配了静态优先级退避时间，当机器人在通信控制区域的无线信号增强，此时触发第一层优先级退避算法，但当机器人由于第一层的退避时间过长，且接收信号强度值在通信稳定的情况下并未改变，会造成大量时间的浪费。为了改善这种情况，启动第二层优先级退避算法，各机器人第二层退避时间由第一层退避时间而定，减少了路口等待时间，提高仓储移动机器人效率。

Description

一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，特别是一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法。
背景技术
基于无线信号强度变化的分布式多移动机器人路径规划的条件是：(1)机器人的行驶道路宽度只能容纳一个机器人；(2)机器人的行驶车道为单向车道，所有机器人都以相同的速度运动；(3)机器人路径冲突所指的是在两条行驶道路的交叉口即十字路口所形成的路径冲突。
随着科技的迅猛发展，工业自动化程度也相应提高。并且单机器人系统远远无法满足目前的需求，因此多机器人系统的研究变得非常重要。相比较单机器人而言，多移动机器人系统在时间、空间、信息、资源和整体功能上显现出分布性的优点。随着应用不断扩大，机器人工作环境复杂度和任务的加重，对其要求不再局限于单机器人，而是要求在动态环境中实现多规划体的合作与单规划体路径规划的统一，所以多机器人路径规划已成为新的研究热点。但在多机器人系统路径规划中会出现的一个关键问题就是路径冲突，也就是在同一时间，多台机器人共享同一工作空间问题。
一般解决路径冲突有两种思路：集中式路径冲突解决方法和分布式路径冲突解决方法。
集中式的路径规划是指将多移动机器人系统视作一个有多自由度的单机器人，不同机器人代表不同的自由度，由一个集中控制中心利用搜索方法，在整个构型空间中进行搜索，计算出所有机器人的可行路径，从而解决路径冲突。集中式路径冲突解决方法的优点在于它是完备的，缺点在于其实时性差、容错性差、对环境的适应能力差，搜索空间的大小会随着机器人数量的增加呈指数增长，且对于机器人数量较多的系统，容易产生无可行解。分布式路径冲突解决方法是先单独计算出每台移动机器人路径，使得各个移动机器人都能得到一条无静态碰撞的路径，之后在执行的过程中根据局部环境信息来调整各自的行驶路径，以此来达到解决各机器人之间路径冲突的目的。分布式路径冲突解决方法的优点在于计算速度非常快，具有较高的实时性、扩展性与容错性，因此逐渐成为了主流的冲突解决方法。
根据国内外的现有研究成果，分布式路径冲突解决方法多种多样，但低成本、高性能分布式路径冲突解决方法却少之又少。无线通信技术就是其中之一，移动机器人通过搭载的无线信号接收/发射器来测定无线信号接收强度的变化以此来达到路径冲突消解的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，本方法在现有栅格划分方法的基础之上，划分出通信控制区域。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，包括以下步骤：
步骤1、各机器人建立初始化栅格地图，各机器人上均设有无线信号接收/发射机，制定无线信号接收/发射周期T，在栅格地图中标记通信控制区域；
步骤2、调度中心将栅格地图和任务分配信息下发给各个机器人，任务分配信息包括起始点和目标点；
步骤3、各机器人根据所获得的栅格地图及任务分配信息，利用路径搜索方法获得当前路径；
步骤4、机器人执行任务时，保证同一车道上的每个机器人之间的距离是大于或等于预设的距离阈值；
若机器人未到达通信控制区域，则机器人按照当前路径行驶，若到达通信控制区域则进入步骤5；
步骤5、设第i号机器人在时刻t0进入通信控制区域，记录t0到t0+2T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度增加的总次数count1；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是增加的，则记录一次无线信号强度增加的次数；
若count1＝2，第i号机器人进入步骤6；若count1＝0或count1＝1，则第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤6、第i号机器人等待Tfi，第i号机器人的第一层优先级退避时间Tfi＝2(i-1)T，i＝1，2，3……n，n为机器人编号；
记录t0+2T到t0+4T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度不变的总次数count2；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是不变的，则记录一次无线信号强度不变的次数；
当Tfi到达并且没有到达t0+4T时间，第i号机器人行驶，进入步骤9；
当到达t0+4T时，若count2＝2，第i号机器人停止行驶，进入步骤7；若此时count2＝0或count2＝1，第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤7、第i号机器人等待Tsi，第i号机器人的第2层优先级退避时间Tsi＝(i-1)T，i＝1，2，3……n；进入步骤8；
步骤8、令当前时刻为tc，记录tc到tc+2T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度不变的总次数count3；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是不变的，则记录一次无线信号强度不变的次数；
当Tsi到达并且没有到达tc+2T时间，第i号机器人行驶，进入步骤9；
当到达tc+2T时，若count3＝2，第i号机器人继续原地等待，再次进入步骤7；若此时count2＝0或count2＝1，第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤9、第i号机器人行驶，直至驶出这一通信控制区域。
作为本发明所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法进一步优化方案，标记通信控制区域是指：
规定各道路为单向道路，由此交叉栅格形成十字路口，以交叉栅格为中心向四方向各扩展两个栅格来标记以此形成通信控制区域，只有在通信控制区域内的机器人才能够进行通信。
作为本发明所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法进一步优化方案，各机器人建立初始化栅格地图，具体如下：
(1)将机器人工作区间栅格化，将机器人工作区间划分为机器人行走栅格和障碍物栅格，每个栅格为正方形且栅格长度依据无线信号传输周期和机器人工作速度及机器人长度而定；
Figure BDA0003064377150000031
l＝T*v，其中lrobot为机器人长度，T为无线信号接收/发射周期，v为机器人行驶速度，l为一个栅格的长度；
(2)规定每条行驶道路的方向；
(3)标记交叉栅格；
(4)建立通信控制区域：根据标记的交叉栅格，向四方向各扩展两个栅格形成通信控制区域；
(5)将具有行驶方向通信控制区域的栅格地图下发给各机器人。
作为本发明所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法进一步优化方案，预设的距离阈值为5个栅格长度。
作为本发明所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法进一步优化方案，每个机器人搭载一对无线信号接收/发射机，当进入通信控制区域时开始工作，并且每个机器人的无线信号接收机只能够接收来自同一控制区域内的其他机器人无线信号发射机所发送的信号。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明的调度中心系统只负责绘制栅格地图并下发和任务分配，并不参与各机器人具体的路径规划，因此极大的减轻了调度系统的工作量；每个机器人具有独立的路径规划能力，更具有自主性，为分布式冲突解决提供强大的技术支撑。
(2)本发明中的单车道行驶保证了机器人之间不会出现对向冲突，所依据栅格交叉点所划分的通信控制区域，当机器人进入此区域才进行通信交互，一方面保证了分布式解决冲突的必要性，另一方面减轻了各机器人之间的通信负担，整体减轻了通信损耗。
(3)本发明中采用了双层优先级退避策略，体现了机器人退避算法的合理性：双层优先级策略分为两阶段，第一阶段为静态阶段，其中为每个机器人分配了静态优先级退避时间，当机器人在通信控制区域的无线信号增强，此时触发第一层优先级退避算法，此处来看高优先级的机器人将比低优先级的机器人具有更多优势，高优先级会提前计时结束，从而具有优先行驶的权利。但当长时间无线信号强度在增加后未发生改变，第一层退避算法也未结束的情况下会浪费大量的时间。因此触发第二阶段优先级退避算法。
附图说明
图1为无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法流程图。
图2为带标记的通信控制区域栅格图示意图。
图3为机器人进入通信控制区域前状态。
图4为触发双层优先级退避算法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
本实施例将应用场景设置在分布式多机器人十字路口路径冲突场景中，本发明涉及的基于无线信号强度变化的分布式多移动机器人路径冲突解决方法，主要包含三个阶段，分别为绘制带标记通信区域的栅格地图、机器人根据无线接收信号强度变化制定第一层优先级退避算法、无线信号强度增加后无变化触发第二层优先级退避算法这三个阶段，其流程图如图1所示。以下结合图2至图4分别对这三阶段所包含的具体步骤进行说明。
如图2所示，为绘制带标记通信区域的栅格地图阶段。
以栅格法作为绘制地图的方法，将机器人工作空间分为可行走栅格和障碍栅格，每个栅格为正方形且栅格长度依据无线信号传输周期和机器人工作速度及机器人长度而定。
Figure BDA0003064377150000051
l＝T*v，其中lrobot为机器人长度，T无线信号接收/发射周期，v为机器人行驶速度。为防止对向冲突，规定各道路为单向道路，由此可看见交叉栅格所形成的十字路口。以交叉栅格为中心向四方向各扩展两个栅格来标记以此形成通信控制区域，只有在通信控制区域内的机器人才能够进行通信。调度中心将所绘制的带标记的通信区域栅格地图和任务下发给各个机器人。当机器人接收到任务时，根据自己的ID编号设定双层优先级退避策略。
如图3所示，为机器人进入通信控制区域前状态。
由于距离传感器的限制，所有进入通信控制区域内的机器人距离传感器值都是大于或等于阈值的，且通信控制区域内最多有两个机器人。假设有两个机器人第a号和第b号位于如图所示位置。当第a号机器人在t0时刻进入通信控制区域时，即位于坐标(7，4)时，此时无线信号接收/发射机还未开始工作，则记录此时的无线信号强度值RSSI为0，机器人行驶。经过一个T的时间，即t0+T时刻，通信区域内第a号机器人位于(6，4)时，获取此时的无线信号接收强度RSSI并存储，比较t0+T与t0时刻的信号强度值，若增加则count1＝count1+1，若减小或不变则count1＝count1+0，则第a号机器人继续行驶。再经过一个T，即t0+2T时刻，通信区域内第a号机器人位于(5，4)时，再次获取此时的无线信号接收强度RSSUI并存储，比较t0+T时刻和t0+2T时刻的接收信号强度的变化，若信号强度增加,则count1＝count1+1，若信号强度减小或不变count1＝count1+0，经过2T时间，第a号机器人的第1号计数器计时结束。若count1＝0或count1＝1，说明此时并无冲突发生的可能性，则第a号机器人按照当前路径继续行驶；若count1＝2，第a号机器人触发双层优先级中的第一层优先级和第2号计数器count2。第b号机器人也在t0时刻进入通信控制区域，工作原理与第a号机器人一致，只不过在通信控制区域内的行驶路径为(4，2)→(4，3)→(4，4)→(4，5)→(4，6)，在经过2T以后，到达(4，3)坐标，若第b号机器人的count1＝0或count1＝1，说明此时并无冲突发生的可能性，则第b号机器人按照当前路径继续行驶；若第b号的count1＝2，第b号机器人触发双层优先级中的第一层优先级和第2号计数器count2。
如图4所示，机器人根据无线接收信号强度变化启动双层优先级退避算法阶段。
根据机器人编号，通信区域内第a号机器人的第一层优先级的退避时间为Tfa＝2(a-1)T，第二层优先级的退避时间为Tfa＝(a-1)T；通信区域内第b号机器人第一层优先级退避时间为Tfb＝2(b-1)T，第二层优先级的退避时间为Tfb＝(b-1)T。
若a＝1且b>1，则第a号机器人不必等待，直接行驶，第b号机器人停止等待。在2T时间后，此时第a号机器人已经由(5，4)经过(4，4，)行驶到(3，4)，所以t0+4T时刻第b号机器的count2＝1，因此无论b为大于1的任何一个编号，都可以再次行驶。
若a＝2且b>2，则第a号机器人在(5，4)和第b号机器人在(4，3)停止等待2T时间后，也就是t0+4T时刻，各自的第二个计数器count2都等于2，但是此时第a号机器人的第一层退避时间已经到达，所以无论第a号的count2等于多少，都不必再等待，直接再次行驶。由于第b号机器人未到达第一层退避时间，所以触发第二层优先级和第3号计数器count3。在第a号机器人再次行驶的2T后，即t0+6T时刻，第b号机器人的第3号计数器count3＝1，所以即使第b号机器人的第二层退避时间未到达，也是可以行驶的；若在2T时间内，第b号机器人的第二层退避时间到达，则无论第b号机器人的第3号计数器count3等于多少，都不必再等待，直接行驶。
若a>2且b>3，那么在t0+4T时刻第a号机器人的第2个计数器count2＝2，第b号机器人的第2个计数器count2＝2，说明第a号机器人和第b号机器人和已经持续等待了2T时间，若再按照第一层退避时间等待会浪费大量时间，所以此时两个机器人都触发各自的第二层优先级和各自的第3号计数器count3，并且在2T后，即t0+6T时刻，第a号机器人和第b号机器人的第二层退避时间都未到达，且各自的count3都等于2，此时第a号机器人和第b号机器人的count3再次清零，再次进入第二层优先级退避时间，以此类推，直至有一方第二层退避时间到达。若第a号机器人到达退避时间，则第a号机器人再次行驶。在第a号机器人再次行驶的2T后，第b号机器人的第3号计数器count3＝1，所以即使第b号机器人的第二层退避时间未到达，也是可以行驶的；若在2T时间内，第b号机器人的第二层退避时间到达，则无论第b号机器人的第3号计数器count3等于多少，也都不必再等待，直接行驶。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、各机器人建立初始化栅格地图，各机器人上均设有无线信号接收/发射机，制定无线信号接收/发射周期T，在栅格地图中标记通信控制区域；
步骤2、调度中心将栅格地图和任务分配信息下发给各个机器人，任务分配信息包括起始点和目标点；
步骤3、各机器人根据所获得的栅格地图及任务分配信息，利用路径搜索方法获得当前路径；
步骤4、机器人执行任务时，保证同一车道上的每个机器人之间的距离是大于或等于预设的距离阈值；
若机器人未到达通信控制区域，则机器人按照当前路径行驶，若到达通信控制区域则进入步骤5；
步骤5、设第i号机器人在时刻t0进入通信控制区域，记录t0到t0+2T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度增加的总次数count1；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是增加的，则记录一次无线信号强度增加的次数；
若count1＝2，第i号机器人进入步骤6；若count1＝0或count1＝1，则第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤6、第i号机器人等待Tfi，第i号机器人的第一层优先级退避时间Tfi＝2(i-1)T，i＝1，2，3......n，n为机器人编号；
记录t0+2T到t0+4T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度不变的总次数count2；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是不变的，则记录一次无线信号强度不变的次数；
当Tfi到达并且没有到达t0+4T时间，第i号机器人行驶，进入步骤9；
当到达t0+4T时，若count2＝2，第i号机器人停止行驶，进入步骤7；若此时count2＝0或count2＝1，第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤7、第i号机器人等待Tsi，第i号机器人的第2层优先级退避时间Tsi＝(i-1)T，i＝1，2，3......n；进入步骤8；
步骤8、令当前时刻为tc，记录tc到tc+2T时间内，第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度不变的总次数count3；其中，每经过1个T时，当第i号机器人的无线信号接收/发射机接收到的无线信号强度与上一次接收到的无线信号强度相比是不变的，则记录一次无线信号强度不变的次数；
当Tsi到达并且没有到达tc+2T时间，第i号机器人行驶，进入步骤9；
当到达tc+2T时，若count3＝2，第i号机器人继续原地等待，再次进入步骤7；若此时count2＝0或count2＝1，第i号机器人继续行驶，进入步骤9；
步骤9、第i号机器人行驶，直至驶出这一通信控制区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，其特征在于，标记通信控制区域是指：
规定各道路为单向道路，由此交叉栅格形成十字路口，以交叉栅格为中心向四方向各扩展两个栅格来标记以此形成通信控制区域，只有在通信控制区域内的机器人才能够进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，其特征在于，各机器人建立初始化栅格地图，具体如下：
(1)将机器人工作区间栅格化，将机器人工作区间划分为机器人行走栅格和障碍物栅格，每个栅格为正方形且栅格长度依据无线信号传输周期和机器人工作速度及机器人长度而定；
Figure FDA0003064377140000021
l＝T*v，其中lrobot为机器人长度，T为无线信号接收/发射周期，v为机器人行驶速度，l为一个栅格的长度；
(2)规定每条行驶道路的方向；
(3)标记交叉栅格；
(4)建立通信控制区域：根据标记的交叉栅格，向四方向各扩展两个栅格形成通信控制区域；
(5)将具有行驶方向通信控制区域的栅格地图下发给各机器人。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，其特征在于，预设的距离阈值为5个栅格长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线信号强度变化的多机器人路径冲突解决方法，其特征在于，每个机器人搭载一对无线信号接收/发射机，当进入通信控制区域时开始工作，并且每个机器人的无线信号接收机只能够接收来自同一控制区域内的其他机器人无线信号发射机所发送的信号。
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