CN114170847A - 一种移动机器人系统的交通管制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动机器人系统的交通管制方法，特点是移动机器人系统包括上位机系统、无线网络和多台移动机器人，上位机系统和移动机器人通过无线网络进行通信，在上位机系统中设置参数配置模块、数据库和交通管制模块，在参数配置模块中配置交通管制参数并存储至数据库中；在交通管制模块中设置资源申请单元、串卡占据单元、虚拟范围占据单元、预先路径占据单元；优点是实现了实时动态的根据运行路线对移动机器人进行交通管制，通过合理配置，使多台移动机器人之间不会相互阻挡，更让移动机器人灵活的根据需求进行避让，从而使整体任务执行时间缩短，更加适应生产节拍，不但能应对复杂多变的现场环境，而且节约了人力成本。

Description

一种移动机器人系统的交通管制方法
技术领域
本发明涉及一种交通管制方法，尤其是一种移动机器人系统的交通管制方法。
背景技术
移动机器人是一种无人驾驶的自动化智能设备，依靠磁导航、视觉导航、激光导航、二维码导航等技术，可以沿着设定的导航路径行驶，搬运物料；随着现在人工成本和管理成本的持续增加，移动机器人的应用在生产车间以及仓储系统中日渐显著；移动机器人共同作业数量越发庞大，运行路线构成的交通网路也越来越复杂，一套有效的交通管制方法对于移动机器人的安全运行以及整个调度系统持续流畅高效的运行有着巨大的积极作用。
在同一条路径上或空间上相邻的路径上，当多台移动机器人因所需的路径资源点被占用而停车等待时，会造成相互之间都无法获得路径资源点，该现象称为死锁。
现有的交通管制方法需要满足特定条件才能进行管制，通过预先配置互斥集合，命令将会发生死锁的移动机器人停止等待，直至死锁解除，然而该方法无法应对复杂多变的现场环境，需要调试人员在现场进行反复调试、配置交通管制规则，浪费人力成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种移动机器人系统的交通管制方法，不但能应对复杂多变的现场环境，而且节约了人力成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种移动机器人系统的交通管制方法，所述的移动机器人系统包括上位机系统、无线网络和多台移动机器人，所述的上位机系统和所述的移动机器人通过所述的无线网络进行通信，
在所述的上位机系统中设置参数配置模块、数据库和交通管制模块，在所述的参数配置模块中配置交通管制参数并存储至所述的数据库中，所述的交通管制参数包括移动机器人限制距离、串卡配置、移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及预先设定距离；在所述的交通管制模块中设置资源申请单元、串卡占据单元、虚拟范围占据单元、预先路径占据单元；
具体的交通管制方法包括以下步骤：
①将所有移动机器人的导航任务存储至数据库中；
②通过安装在移动机器人顶部的激光导航传感器扫描现场环境，得到现场环境的水平面横切图，并在水平面横切图上添加路径资源点，根据现场环境中移动机器人能正常通过的情况，连接路径资源点得到路线，最终在上位机系统中得到一张二维地图，在二维地图中，以左下角的顶点作为坐标系原点建立平面直角坐标系，其中路线由贝塞尔曲线表示，将二维地图通过无线网络发送至所有移动机器人；
③运行上位机系统，将上位机系统初始化并读取二维地图，得到a组路线数据，并将第i组路线数据表示为[Ai,Bi,AiBi]，其中，n-1≤a≤n(n-1)，n表示每条路线里的路径资源点的总数，n＞1，Ai、Bi为两个相邻的路径资源点，AiBi表示两个相邻的路径资源点的距离，根据弗洛伊德算法得到每条路线对应的一个n×n的距离矩阵和一个n×n的路线矩阵；
④资源申请单元从数据库中获取所有移动机器人的导航任务对应的路线所要经过的路径资源点，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合，根据数据库中存储的移动机器人限制距离过滤所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的第一资源申请集合；
⑤串卡占据单元读取数据库中存储的串卡配置，移除所有移动机器人对应的第一资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合；
⑥虚拟范围占据单元根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，移除所有移动机器人对应的第二资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合；
⑦预先路径占据单元根据所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的预先路径集合，再根据数据库中存储的预先设定距离将每台移动机器人的预先路径集合与其他移动机器人的虚拟范围集合和预先路径集合进行比较，判断是否会受到阻碍，对会受到阻碍的移动机器人的第三资源申请集合进行清空；
⑧判断所有移动机器人经过步骤⑦得到的第三资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑩；若不是，则将经过步骤⑦得到的第三资源申请集合中最后一个路径资源点封装为消息返回给对应的移动机器人；
⑨移动机器人接收到返回的消息后，执行对应的命令；
⑩判断上位机系统是否关闭，若是，则结束；若不是，则重复执行步骤④至步骤⑨，直至上位机系统关闭。
所述的移动机器人限制距离为5米，所述的预先设定距离为10米。
所述的步骤④具体包括以下步骤：
④-1遍历所有移动机器人，执行步骤④-2；
④-2将当前查询的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人在数据库中是否存储有导航任务，若有，则执行步骤④-3；若没有，则执行步骤④-8；
④-3将当前移动机器人所在的路径资源点记为起点，根据起点和导航任务中的终点查询步骤③中得到的路线矩阵，得到从起点至导航任务中的终点的所有路径资源点并组成一个路线数组，执行步骤④-4；
④-4获取当前移动机器人所在的路径资源点在路线数组中的顺序索引，执行步骤④-5；
④-5判断步骤④-4中得到的顺序索引是否为路线数组中的终点索引，若是，则执行步骤④-8；若不是，则执行步骤④-6；
④-6将路线数组中当前移动机器人的顺序索引所对应的路径资源点之后的五个路径资源点合并为当前移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤④-7；
④-7将当前移动机器人所在的路径资源点记为记录点，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人的导航路线资源集合中每个路径资源点到记录点的距离，从当前移动机器人的导航路线资源集合中移除路径资源点到记录点的距离超出数据库中存储的移动机器人限制距离的路径资源点，并将剩余的路径资源点合并为第一资源申请集合，得到当前移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤④-8；
④-8判断是否遍历完所有移动机器人，若是，则执行步骤④-9；若不是，则查询下一台移动机器人，返回执行步骤④-2；
④-9结束资源申请单元，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合和第一资源申请集合。
所述的步骤⑤具体包括以下步骤：
⑤-1遍历所有移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤⑤-2；
⑤-2将当前查询的第一资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第一资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑤-7；若不是，则执行步骤⑤-3；
⑤-3判断当前移动机器人的第一资源申请集合中的路径资源点是否在数据库中存储的串卡配置中，若是，则执行步骤⑤-4；若不是，则执行步骤⑤-7；
⑤-4判断当前串卡配置是否被其他移动机器人占据，若是，则执行步骤⑤-6；若不是，则执行步骤⑤-5；
⑤-5当前移动机器人占据该串卡配置，执行步骤⑤-7；
⑤-6此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第一资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑤-7；
⑤-7判断是否遍历完所有移动机器人的第一资源申请集合，若是，则执行步骤⑤-8；若不是，则查询下一个第一资源申请集合，返回执行步骤⑤-2；
⑤-8结束串卡占据单元，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合。
所述的步骤⑥具体包括以下步骤：
⑥-1遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-2；
⑥-2将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标，执行步骤⑥-3；
⑥-3遍历二维地图的所有路径资源点，根据射线法判断是否有路径资源点位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内，若是，则执行步骤⑥-4；若不是，则执行步骤⑥-5；
⑥-4将位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内的路径资源点合并为虚拟范围集合，执行步骤⑥-5；
⑥-5判断是否遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，执行步骤⑥-6；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-2；
⑥-6重新遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-7；
⑥-7将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第二资源申请集合中的路径资源点是否在其他移动机器人的虚拟范围集合中，若是，则执行步骤⑥-8；若不是，则执行步骤⑥-9；
⑥-8此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第二资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人对应的第三资源申请集合，执行步骤⑥-9；
⑥-9判断是否重新遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则执行步骤⑥-10；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-7；
⑥-10结束虚拟占据单元，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合。
所述的步骤⑥-2中根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标的具体过程包括：
⑥-2-1建立一个以激光导航传感器为原点、当前移动机器人前进方向为x轴正方向、水平垂直于x轴向上为y轴正方向的临时坐标系，根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在临时坐标系中的坐标；
⑥-2-2根据由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标。
所述的步骤⑦具体包括以下步骤：
⑦-1遍历所有移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤⑦-2；
⑦-2将当前查询的导航路线资源集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，以当前移动机器人的导航路线资源集合中每任意两个相邻的路径资源点为依据，连接两个相邻的路径资源点并向两侧展开半径为当前移动机器人宽一半的矩形，得到该矩形的四个顶点的坐标，进而得到当前移动机器人的导航路线资源集合对应的所有矩形的四个顶点的坐标，将得到的所有矩形的四个顶点的坐标合并为当前移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-3；
⑦-3判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的虚拟范围集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-4；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-4计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点和P1之间的距离，并记为L1，执行步骤⑦-5；
⑦-5判断L1是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-6；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-6此时当前移动机器人不允许获得P1，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-7；
⑦-7判断是否遍历完所有移动机器人的导航路线资源集合，若是，则得到所有移动机器人对应的预先路径集合，执行步骤⑦-8；若不是，则查询下一个导航路线资源集合，返回执行步骤⑦-2；
⑦-8遍历所有移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-9；
⑦-9将当前查询的预先路径集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的预先路径集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-10；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-10计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P2，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离和另外一台移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离，分别记为L2和L3，执行步骤⑦-11；
⑦-11判断L2是否大于L3，若是，则执行步骤⑦-12；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-12判断L2是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-13；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-13此时当前移动机器人不允许获得P2，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-14；
⑦-14判断是否遍历完所有移动机器人的预先路径集合，若是，则执行步骤⑦-15；若不是，则查询下一个预先路径集合，返回执行步骤⑦-9；
⑦-15结束预先路径占据单元，得到所有移动机器人对应的清空后的第三资源申请集合。
所述的步骤⑦-4中计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1的具体过程为：
设当前移动机器人的预先路径集合为Ca，其他移动机器人的虚拟范围集合为Cb，根据分离轴算法得到Ca与Cb的交集，并将获得的交集记为C1，遍历当前移动机器人的导航路线资源集合中的路径资源点，根据射线法将当前移动机器人的导航路线资源集合中第一个出现在C1中的路径资源点记为P1。
所述的步骤⑦-10中计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P2的具体过程为：
设当前移动机器人的预先路径集合为Ca’，其他移动机器人的预先路径集合为Cb’，根据分离轴算法得到Ca’与Cb’的交集，将获得的交集记为C1’，遍历当前移动机器人的导航路线资源集合中的路径资源点，根据射线法将当前移动机器人的导航路线资源集合中第一个出现在C1’中的路径资源点记为P2。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的交通管制方法实现了实时动态的根据运行路线对移动机器人进行交通管制，通过合理配置，使多台移动机器人之间不会相互阻挡，更让移动机器人灵活的根据需求进行避让，从而使整体任务执行时间缩短，更加适应生产节拍，不但能应对复杂多变的现场环境，而且节约了人力成本。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明实施例中得到的二维地图示意图；
图3为本发明实施例中部分绘制的贝塞尔曲线示意图；
图4为本发明实施例中局部放大的二维地图的示意图；
图5为本发明实施例中资源申请单元的流程示意图；
图6为本发明实施例中串卡占据单元的流程示意图；
图7为本发明实施例中虚拟范围占据单元的流程示意图；
图8为本发明实施例中移动机器人的虚拟范围集合示意图；
图9为本发明实施例中预先路径占据单元的流程示意图；
图10为本发明实施例中移动机器人的预先路径集合示意图；
图11为使用未改进的现有技术和使用本发明的方法对于在相同执行时间内所能执行的任务量的对比示意图，其中项目实施前为使用未改进的现有技术，项目实施后为使用本发明的方法；
图12为使用未改进的现有技术和使用本发明的方法对于执行相同任务量所需的执行时间的对比示意图，其中改进前为使用未改进的现有技术，改进后为使用本发明的方法。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种移动机器人系统的交通管制方法，移动机器人系统包括上位机系统、无线网络和多台移动机器人，上位机系统和移动机器人通过无线网络进行通信，
在上位机系统中设置参数配置模块、数据库和交通管制模块，在参数配置模块中配置交通管制参数并存储至数据库中，交通管制参数包括移动机器人限制距离、串卡配置、移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及预先设定距离；在交通管制模块中设置资源申请单元、串卡占据单元、虚拟范围占据单元、预先路径占据单元；移动机器人限制距离为5米，预先设定距离为10米；
如图1所示，具体的交通管制方法包括以下步骤：
①将所有移动机器人的导航任务存储至数据库中；
②通过安装在移动机器人顶部的激光导航传感器扫描现场环境，得到现场环境的水平面横切图，并在水平面横切图上添加路径资源点，根据现场环境中移动机器人能正常通过的情况，连接路径资源点得到路线，最终在上位机系统中得到一张二维地图，在二维地图中，以左下角的顶点作为坐标系原点建立平面直角坐标系，其中路线由贝塞尔曲线表示，将二维地图通过无线网络发送至所有移动机器人；二维地图如图2所示，部分绘制的贝塞尔曲线如图3所示，局部放大的二维地图如图4所示；
③运行上位机系统，将上位机系统初始化并读取二维地图，得到a组路线数据，并将第i组路线数据表示为[Ai,Bi,AiBi]，其中，n-1≤a≤n(n-1)，n表示每条路线里的路径资源点的总数，n＞1，Ai、Bi为两个相邻的路径资源点，AiBi表示两个相邻的路径资源点的距离，根据弗洛伊德算法得到每条路线对应的一个n×n的距离矩阵和一个n×n的路线矩阵；
④资源申请单元从数据库中获取所有移动机器人的导航任务对应的路线所要经过的路径资源点，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合，根据数据库中存储的移动机器人限制距离过滤所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的第一资源申请集合；
如图5所示，步骤④具体包括以下步骤：
④-1遍历所有移动机器人，执行步骤④-2；
④-2将当前查询的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人在数据库中是否存储有导航任务，若有，则执行步骤④-3；若没有，则执行步骤④-8；
④-3将当前移动机器人所在的路径资源点记为起点，根据起点和导航任务中的终点查询步骤③中得到的路线矩阵，得到从起点至导航任务中的终点的所有路径资源点并组成一个路线数组，执行步骤④-4；
例如，当前移动机器人的导航任务为1→3→7→10→11→12→13，且当前移动机器人所在的路径资源点为1，那么当前移动机器人得到的路线数组为【1,3,7,10,11,12,13】；
④-4获取当前移动机器人所在的路径资源点在路线数组中的顺序索引，执行步骤④-5；
当前移动机器人的路线数组【1,3,7,10,11,12,13】中的顺序索引对应为：第一个顺序索引为1，第二个顺序索引为3，第三个顺序索引为7，第四个顺序索引为10，第五个顺序索引为11，第六个顺序索引为12，第七个顺序索引为13；那么当前移动机器人所在的路径资源点在路线数组中的顺序索引为第一个顺序索引；
④-5判断步骤④-4中得到的顺序索引是否为路线数组中的终点索引，若是，则执行步骤④-8；若不是，则执行步骤④-6；
当前移动机器人的路线数组【1,3,7,10,11,12,13】中的终点索引为第七个顺序索引即13；
④-6将路线数组中当前移动机器人的顺序索引所对应的路径资源点之后的五个路径资源点合并为当前移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤④-7；
若当前移动机器人的路线数组【1,3,7,10,11,12,13】中的顺序索引所对应的路径资源点为1，则导航路线资源集合为【3,7,10,11,12】；
④-7将当前移动机器人所在的路径资源点记为记录点，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人的导航路线资源集合中每个路径资源点到记录点的距离，从当前移动机器人的导航路线资源集合中移除路径资源点到记录点的距离超出数据库中存储的移动机器人限制距离的路径资源点，并将剩余的路径资源点合并为第一资源申请集合，得到当前移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤④-8；
④-8判断是否遍历完所有移动机器人，若是，则执行步骤④-9；若不是，则查询下一台移动机器人，返回执行步骤④-2；
④-9结束资源申请单元，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合和第一资源申请集合；
⑤串卡占据单元读取数据库中存储的串卡配置，移除所有移动机器人对应的第一资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合；
如图6所示，步骤⑤具体包括以下步骤：
⑤-1遍历所有移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤⑤-2；
⑤-2将当前查询的第一资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第一资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑤-7；若不是，则执行步骤⑤-3；
⑤-3判断当前移动机器人的第一资源申请集合中的路径资源点是否在数据库中存储的串卡配置中，若是，则执行步骤⑤-4；若不是，则执行步骤⑤-7；
⑤-4判断当前串卡配置是否被其他移动机器人占据，若是，则执行步骤⑤-6；若不是，则执行步骤⑤-5；
⑤-5当前移动机器人占据该串卡配置，执行步骤⑤-7；
⑤-6此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第一资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑤-7；
⑤-7判断是否遍历完所有移动机器人的第一资源申请集合，若是，则执行步骤⑤-8；若不是，则查询下一个第一资源申请集合，返回执行步骤⑤-2；
⑤-8结束串卡占据单元，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合；
例如：数据库中存储的串卡配置为【10,14,15,16】；当1号移动机器人的第一资源申请集合遍历到为【3,7】，2号移动机器人的第一资源申请集合遍历到为【14,15,16】时，因1号移动机器人的路径资源点都不在串卡配置里，所以1号移动机器人继续遍历，而2号移动机器人的路径资源点都在串卡配置中，且该串卡配置未被占据，所以2号移动机器人占据该串卡配置；
当1号移动机器人的第一资源申请集合遍历到为【3,7,10】时，路径资源点10在串卡配置中，但该串卡配置已被2号移动机器人占据，则删除该路径资源点10，得到1号移动机器人的第二资源申请集合为【3,7】；
⑥虚拟范围占据单元根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，移除所有移动机器人对应的第二资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合；
如图7所示，步骤⑥具体包括以下步骤：
⑥-1遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-2；
⑥-2将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标，执行步骤⑥-3；
步骤⑥-2中根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标的具体过程包括：
⑥-2-1建立一个以激光导航传感器为原点、当前移动机器人前进方向为x轴正方向、水平垂直于x轴向上为y轴正方向的临时坐标系，根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在临时坐标系中的坐标；
⑥-2-2根据由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标；
⑥-3遍历二维地图的所有路径资源点，根据射线法判断是否有路径资源点位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内，若是，则执行步骤⑥-4；若不是，则执行步骤⑥-5；
⑥-4将位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内的路径资源点合并为虚拟范围集合，执行步骤⑥-5；
⑥-5判断是否遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，执行步骤⑥-6；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-2；
⑥-6重新遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-7；
⑥-7将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第二资源申请集合中的路径资源点是否在其他移动机器人的虚拟范围集合中，若是，则执行步骤⑥-8；若不是，则执行步骤⑥-9；
⑥-8此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第二资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人对应的第三资源申请集合，执行步骤⑥-9；
⑥-9判断是否重新遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则执行步骤⑥-10；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-7；
⑥-10结束虚拟占据单元，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合；
如图8所示，若位于下方的移动机器人的第二资源申请集合为【3,4,10,11,14】，位于上方的移动机器人得到的虚拟范围集合为【10,11】，位于下方的移动机器人得到的虚拟范围集合为【2,3】，那么位于下方的移动机器人得到的第三资源申请集合为【3,4】；
⑦预先路径占据单元根据所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的预先路径集合，再根据数据库中存储的预先设定距离将每台移动机器人的预先路径集合与其他移动机器人的虚拟范围集合和预先路径集合进行比较，判断是否会受到阻碍，对会受到阻碍的移动机器人的第三资源申请集合进行清空；
如图9所示，步骤⑦具体包括以下步骤：
⑦-1遍历所有移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤⑦-2；
⑦-2将当前查询的导航路线资源集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，以当前移动机器人的导航路线资源集合中每任意两个相邻的路径资源点为依据，连接两个相邻的路径资源点并向两侧展开半径为当前移动机器人宽一半的矩形，得到该矩形的四个顶点的坐标，进而得到当前移动机器人的导航路线资源集合对应的所有矩形的四个顶点的坐标，将得到的所有矩形的四个顶点的坐标合并为当前移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-3；
⑦-3判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的虚拟范围集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-4；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-4计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点和P1之间的距离，并记为L1，执行步骤⑦-5；
步骤⑦-4中计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1的具体过程为：
设当前移动机器人的预先路径集合为Ca，其他移动机器人的虚拟范围集合为Cb，根据分离轴算法得到Ca与Cb的交集，并将获得的交集记为C1，遍历当前移动机器人的导航路线资源集合中的路径资源点，根据射线法将当前移动机器人的导航路线资源集合中第一个出现在C1中的路径资源点记为P1；
⑦-5判断L1是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-6；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-6此时当前移动机器人不允许获得P1，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-7；
⑦-7判断是否遍历完所有移动机器人的导航路线资源集合，若是，则得到所有移动机器人对应的预先路径集合，执行步骤⑦-8；若不是，则查询下一个导航路线资源集合，返回执行步骤⑦-2；
⑦-8遍历所有移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-9；
⑦-9将当前查询的预先路径集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的预先路径集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-10；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-10计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P2，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离和另外一台移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离，分别记为L2和L3，执行步骤⑦-11；
步骤⑦-10中计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P2的具体过程为：
设当前移动机器人的预先路径集合为Ca’，其他移动机器人的预先路径集合为Cb’，根据分离轴算法得到Ca’与Cb’的交集，将获得的交集记为C1’，遍历当前移动机器人的导航路线资源集合中的路径资源点，根据射线法将当前移动机器人的导航路线资源集合中第一个出现在C1’中的路径资源点记为P2；
⑦-11判断L2是否大于L3，若是，则执行步骤⑦-12；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-12判断L2是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-13；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-13此时当前移动机器人不允许获得P2，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-14；
⑦-14判断是否遍历完所有移动机器人的预先路径集合，若是，则执行步骤⑦-15；若不是，则查询下一个预先路径集合，返回执行步骤⑦-9；
⑦-15结束预先路径占据单元，得到所有移动机器人对应的清空后的第三资源申请集合；
如图10所示，1号移动机器人从路径资源点1去往路径资源点13；2号移动机器人从路径资源点16去往路径资源点10，图中的矩形范围表示为1号移动机器人和2号移动机器人所对应的预先路径集合，那么路径资源点10即为将会发生重叠的路径资源点；
⑧判断所有移动机器人经过步骤⑦得到的第三资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑩；若不是，则将经过步骤⑦得到的第三资源申请集合中最后一个路径资源点封装为消息返回给对应的移动机器人；
⑨移动机器人接收到返回的消息后，执行对应的命令；
⑩判断上位机系统是否关闭，若是，则结束；若不是，则重复执行步骤④至步骤⑨，直至上位机系统关闭。
如图11所示，在相同执行时间内，项目实施后使用本发明的方法所能执行的任务量明显大于项目实施前使用未改进的现有技术所能执行的任务量；
如图12所示，图中的横坐标表示任务量，对于执行相同任务量，改进后使用本发明的方法所需的执行时间明显短于改进前使用未改进的现有技术所需的执行时间。
立体仓库滚筒输送机输送原料，多台移动机器人搬运原料至各个投料产线，但投料产线相邻工位无法同时进入2台移动机器人，且输送机口的路线复杂；传统的交通管制方法通常对大区域进行管制，如当有一台移动机器人进入后，对其他移动机器人进行管制，导致输送机口利用率低；本发明通过对工位(即路径资源点)以及输送机口的合理交通管制，从而将任务执行时间减少30％，使得整体任务执行时间缩短，更加适应生产节拍。

Claims (9)

1.一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的移动机器人系统包括上位机系统、无线网络和多台移动机器人，所述的上位机系统和所述的移动机器人通过所述的无线网络进行通信，
在所述的上位机系统中设置参数配置模块、数据库和交通管制模块，在所述的参数配置模块中配置交通管制参数并存储至所述的数据库中，所述的交通管制参数包括移动机器人限制距离、串卡配置、移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及预先设定距离；在所述的交通管制模块中设置资源申请单元、串卡占据单元、虚拟范围占据单元、预先路径占据单元；
具体的交通管制方法包括以下步骤：
①将所有移动机器人的导航任务存储至数据库中；
②通过安装在移动机器人顶部的激光导航传感器扫描现场环境，得到现场环境的水平面横切图，并在水平面横切图上添加路径资源点，根据现场环境中移动机器人能正常通过的情况，连接路径资源点得到路线，最终在上位机系统中得到一张二维地图，在二维地图中，以左下角的顶点作为坐标系原点建立平面直角坐标系，其中路线由贝塞尔曲线表示，将二维地图通过无线网络发送至所有移动机器人；
③运行上位机系统，将上位机系统初始化并读取二维地图，得到a组路线数据，并将第i组路线数据表示为[Ai,Bi,AiBi]，其中，n-1≤a≤n(n-1)，n表示每条路线里的路径资源点的总数，n＞1，Ai、Bi为两个相邻的路径资源点，AiBi表示两个相邻的路径资源点的距离，根据弗洛伊德算法得到每条路线对应的一个n×n的距离矩阵和一个n×n的路线矩阵；
④资源申请单元从数据库中获取所有移动机器人的导航任务对应的路线所要经过的路径资源点，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合，根据数据库中存储的移动机器人限制距离过滤所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的第一资源申请集合；
⑤串卡占据单元读取数据库中存储的串卡配置，移除所有移动机器人对应的第一资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合；
⑥虚拟范围占据单元根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，移除所有移动机器人对应的第二资源申请集合中会导致死锁的路径资源点，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合；
⑦预先路径占据单元根据所有移动机器人对应的导航路线资源集合得到所有移动机器人对应的预先路径集合，再根据数据库中存储的预先设定距离将每台移动机器人的预先路径集合与其他移动机器人的虚拟范围集合和预先路径集合进行比较，判断是否会受到阻碍，对会受到阻碍的移动机器人的第三资源申请集合进行清空；
⑧判断所有移动机器人经过步骤⑦得到的第三资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑩；若不是，则将经过步骤⑦得到的第三资源申请集合中最后一个路径资源点封装为消息返回给对应的移动机器人；
⑨移动机器人接收到返回的消息后，执行对应的命令；
⑩判断上位机系统是否关闭，若是，则结束；若不是，则重复执行步骤④至步骤⑨，直至上位机系统关闭。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的移动机器人限制距离为5米，所述的预先设定距离为10米。
3.根据权利要求1所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤④具体包括以下步骤：
④-1遍历所有移动机器人，执行步骤④-2；
④-2将当前查询的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人在数据库中是否存储有导航任务，若有，则执行步骤④-3；若没有，则执行步骤④-8；
④-3将当前移动机器人所在的路径资源点记为起点，根据起点和导航任务中的终点查询步骤③中得到的路线矩阵，得到从起点至导航任务中的终点的所有路径资源点并组成一个路线数组，执行步骤④-4；
④-4获取当前移动机器人所在的路径资源点在路线数组中的顺序索引，执行步骤④-5；
④-5判断步骤④-4中得到的顺序索引是否为路线数组中的终点索引，若是，则执行步骤④-8；若不是，则执行步骤④-6；
④-6将路线数组中当前移动机器人的顺序索引所对应的路径资源点之后的五个路径资源点合并为当前移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤④-7；
④-7将当前移动机器人所在的路径资源点记为记录点，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人的导航路线资源集合中每个路径资源点到记录点的距离，从当前移动机器人的导航路线资源集合中移除路径资源点到记录点的距离超出数据库中存储的移动机器人限制距离的路径资源点，并将剩余的路径资源点合并为第一资源申请集合，得到当前移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤④-8；
④-8判断是否遍历完所有移动机器人，若是，则执行步骤④-9；若不是，则查询下一台移动机器人，返回执行步骤④-2；
④-9结束资源申请单元，得到所有移动机器人对应的导航路线资源集合和第一资源申请集合。
4.根据权利要求1所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤⑤具体包括以下步骤：
⑤-1遍历所有移动机器人的第一资源申请集合，执行步骤⑤-2；
⑤-2将当前查询的第一资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第一资源申请集合是否为空，若是，则执行步骤⑤-7；若不是，则执行步骤⑤-3；
⑤-3判断当前移动机器人的第一资源申请集合中的路径资源点是否在数据库中存储的串卡配置中，若是，则执行步骤⑤-4；若不是，则执行步骤⑤-7；
⑤-4判断当前串卡配置是否被其他移动机器人占据，若是，则执行步骤⑤-6；若不是，则执行步骤⑤-5；
⑤-5当前移动机器人占据该串卡配置，执行步骤⑤-7；
⑤-6此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第一资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑤-7；
⑤-7判断是否遍历完所有移动机器人的第一资源申请集合，若是，则执行步骤⑤-8；若不是，则查询下一个第一资源申请集合，返回执行步骤⑤-2；
⑤-8结束串卡占据单元，得到所有移动机器人对应的第二资源申请集合。
5.根据权利要求1所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤⑥具体包括以下步骤：
⑥-1遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-2；
⑥-2将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标，执行步骤⑥-3；
⑥-3遍历二维地图的所有路径资源点，根据射线法判断是否有路径资源点位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内，若是，则执行步骤⑥-4；若不是，则执行步骤⑥-5；
⑥-4将位于四个轮廓顶点的坐标连成的矩形内的路径资源点合并为虚拟范围集合，执行步骤⑥-5；
⑥-5判断是否遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则得到所有移动机器人对应的虚拟范围集合，执行步骤⑥-6；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-2；
⑥-6重新遍历所有移动机器人的第二资源申请集合，执行步骤⑥-7；
⑥-7将当前查询的第二资源申请集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的第二资源申请集合中的路径资源点是否在其他移动机器人的虚拟范围集合中，若是，则执行步骤⑥-8；若不是，则执行步骤⑥-9；
⑥-8此时当前移动机器人不允许获得该路径资源点，从当前移动机器人的第二资源申请集合中移除该路径资源点及其之后的路径资源点，得到当前移动机器人对应的第三资源申请集合，执行步骤⑥-9；
⑥-9判断是否重新遍历完所有移动机器人的第二资源申请集合，若是，则执行步骤⑥-10；若不是，则查询下一个第二资源申请集合，返回执行步骤⑥-7；
⑥-10结束虚拟占据单元，得到所有移动机器人对应的第三资源申请集合。
6.根据权利要求5所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤⑥-2中根据数据库中存储的移动机器人长和宽、激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽以及由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标的具体过程包括：
⑥-2-1建立一个以激光导航传感器为原点、当前移动机器人前进方向为x轴正方向、水平垂直于x轴向上为y轴正方向的临时坐标系，根据数据库中存储的移动机器人长和宽以及激光导航传感器距离移动机器人中心长和宽，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在临时坐标系中的坐标；
⑥-2-2根据由当前移动机器人发送的坐标位置和朝向角度，得到当前移动机器人的四个轮廓顶点在平面直角坐标系中的坐标。
7.根据权利要求1所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤⑦具体包括以下步骤：
⑦-1遍历所有移动机器人的导航路线资源集合，执行步骤⑦-2；
⑦-2将当前查询的导航路线资源集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，以当前移动机器人的导航路线资源集合中每任意两个相邻的路径资源点为依据，连接两个相邻的路径资源点并向两侧展开半径为当前移动机器人宽一半的矩形，得到该矩形的四个顶点的坐标，进而得到当前移动机器人的导航路线资源集合对应的所有矩形的四个顶点的坐标，将得到的所有矩形的四个顶点的坐标合并为当前移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-3；
⑦-3判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的虚拟范围集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-4；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-4计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点和P1之间的距离，并记为L1，执行步骤⑦-5；
⑦-5判断L1是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-6；若不是，则执行步骤⑦-7；
⑦-6此时当前移动机器人不允许获得P1，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-7；
⑦-7判断是否遍历完所有移动机器人的导航路线资源集合，若是，则得到所有移动机器人对应的预先路径集合，执行步骤⑦-8；若不是，则查询下一个导航路线资源集合，返回执行步骤⑦-2；
⑦-8遍历所有移动机器人的预先路径集合，执行步骤⑦-9；
⑦-9将当前查询的预先路径集合所对应的移动机器人记为当前移动机器人，判断当前移动机器人的预先路径集合是否与其他移动机器人的预先路径集合有重叠交集，若是，则执行步骤⑦-10；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-10计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P2，查询步骤③中得到的距离矩阵，得到当前移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离和另外一台移动机器人所在的路径资源点与P2之间的距离，分别记为L2和L3，执行步骤⑦-11；
⑦-11判断L2是否大于L3，若是，则执行步骤⑦-12；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-12判断L2是否小于数据库中存储的预先设定距离，若是，则执行步骤⑦-13；若不是，则执行步骤⑦-14；
⑦-13此时当前移动机器人不允许获得P2，清空当前移动机器人的第三资源申请集合里的所有路径资源点，同时中断当前移动机器人对应的导航任务，执行步骤⑦-14；
⑦-14判断是否遍历完所有移动机器人的预先路径集合，若是，则执行步骤⑦-15；若不是，则查询下一个预先路径集合，返回执行步骤⑦-9；
⑦-15结束预先路径占据单元，得到所有移动机器人对应的清空后的第三资源申请集合。
8.根据权利要求7所述的一种移动机器人系统的交通管制方法，其特征在于所述的步骤⑦-4中计算当前移动机器人的导航路线资源集合中，预计会发生重叠交集的路径资源点，并记为P1的具体过程为：
设当前移动机器人的预先路径集合为Ca，其他移动机器人的虚拟范围集合为Cb，根据分离轴算法得到Ca与Cb的交集，并将获得的交集记为C1，遍历当前移动机器人的导航路线资源集合中的路径资源点，根据射线法将当前移动机器人的导航路线资源集合中第一个出现在C1中的路径资源点记为P1。
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Denomination of invention: A Traffic Control Method for Mobile Robot Systems

Granted publication date: 20231027

Pledgee: Zhejiang Tailong Commercial Bank Co.,Ltd. Ningbo Hangzhou Bay New Area Sub branch

Pledgor: Zhejiang Kegong Intelligent System Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980006939