CN115167423A - 一种领航者可变的多机器人编队控制方法 - Google Patents

一种领航者可变的多机器人编队控制方法 Download PDF

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张雅淳
乔飞宇
武艳
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Abstract

本发明公开了一种领航者可变的多机器人编队控制方法，首先通过判断条件系统可以快速地判决出是否应该更换领航者，其次在选定新的领航者时，是以能够快速到达新目标点且尽少地改变原先编队队形的基础上，选择新领航者机器人的，在选择完新的领航者机器人后，编队控制系统还能够快速实现领航者和跟随者的一键切换，从而形成新的编队队形，更加迅速且稳定的编队至目标点进行探索工作，本发明实现当多机器人探索过程中目标点突然变换，编队控制系统能够较快较准确的判断是否应该更换领航者，在更换过程中是以能够快速到达新目标点为基础的，可以实现较快的变换编队队形同时保持编队运动控制稳定。

Description

一种领航者可变的多机器人编队控制方法
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种领航者可变的多机器人编队控制方法。
背景技术
移动机器人，作为机器人领域的经典分支之一，主要研究能够在复杂位置环境中进行自主建模、分析、决策和移动的机器人，如智能车、自主飞行器，水下机器人等。近年来，得益于传感、通讯、控制等诸多领域的蓬勃发展，移动机器人领域不断出现许多新的传感器应用和控制算法。然而，尽管传统的单移动机器人系统配备更多先进的传感和通信设备，采用更为有效的控制算法，却仍然难以胜任当前愈发复杂和精确的机器人任务。因此，为解决上述问题，多机器人系统应运而生，它是指多个机器人组成一个团体，通过机器人间的协作，充分发挥团体内在的各种优势。较单机器人系统而言，多机器人系统一般具有如下优势：一是多机器人系统可以完成对于单机器人系统而言过于复杂的任务；二是多机器人系统能够更好地处理一些本身具有分布式性质的任务，如搜索与救援、区域覆盖等；三是在生产制造方面，量产多个简单机器人的成本要远低于定制一台功能强大、设计复杂的机器人；四是多机器人系统适用于分布式或并行算法，能够以更小的时间或者空间复杂度去解决相同的问题。近些年，突发事件越来越多，严重威胁人们的生命和财产安全。现实生活中灾难的多样性和复杂性正以指数级形式增长，多机器人编队为实现灾难损失和伤害的最小化研究提供了借鉴和启发。在灾难救援领域，救援机器人以编队形式对灾后现场进行搜索救援，不但避免单机器人救援时覆盖面积不够的问题，同时极大地缩短了搜救时间，为人员抢救、灾情处理争取了宝贵的时间。
通过领航-跟随法基本可以实现分布式的多机器人编队控制，但同时也带来了一些新的问题。当多机器人在探索过程中现场某地点突然发生了更紧急的情况，需要更改机器人导航目标点，较快地形成稳定的编队控制。但使用现有的编队控制可能导致到达新目标点的所需运动耗时长、效率低，这对紧急搜救工作的影响是很大的。而且当目标点变换后，可能出现领航者的当前位置距离新目标点较远，而跟随者距离新目标点更近，但是由于队形的约束，在调整过程中出现的运动轨迹将是不可预料的。这些问题将导致编队控制失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种领航者可变的多机器人编队控制方法，首先通过判断条件系统可以快速地判决出是否应该更换领航者，其次在选定新的领航者时，是以能够快速到达新目标点且尽少地改变原先编队队形的基础上，选择新领航者机器人的，在选择完新的领航者机器人后，编队控制系统还能够快速实现领航者和跟随者的一键切换，从而形成新的编队队形，更加迅速且稳定的编队至目标点进行探索工作。
本发明所解决的技术问题为：
(1)解决使用现有多机器人编队控制带来的探索过程中目标点变换使得探索耗时久和运动轨迹难以保持编队的问题；
(2)解决如何快速选定新的领航者的问题；
(3)解决如何快速切换领航者与跟随者的问题，
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种领航者可变的多机器人编队控制方法，包括以下步骤:
步骤一：多机器人编队服务器通过设置的目标点1保持编队队形行进，行进过程中，多机器人编队服务器向领航者机器人发送行进指令，领航者机器人开启导航避障，跟随者机器人通过接收领航者机器人的运动控制指令保持行进；
步骤二：行进过程中，多机器人编队服务器检测到特殊紧急情况或收到必要命令，目标点由目标点1修改为目标点2，多机器人编队服务器进入判断阶段，判断是否需要切换领航者机器人；
若需要切换领航者机器人，则进入步骤三；
若继续保持当前领航者机器人，则进入步骤四；
步骤三：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，调整其余机器人为跟随者机器人，形成一个新的领航跟随关系，按照新的领航者编队队形向目标点行进；
步骤四：多机器人编队服务器控制按照原有编队队形向目标点行进，当多机器人编队服务器检测到领航者机器人的位置信息已经到达目标点位置后，控制中心发布速度控制指令，将所有机器人速度设为0，至此编队完成。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，多机器人编队服务器中对切换领航者机器人的判断如下:
将领航者机器人朝着原目标的运动位置与新目标点的位置进行比较；
当朝着新目标点前进的领航者机器人需要改变的运动方向大于45°，则多机器人编队服务器需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
作为本发明进一步的方案：步骤二中，多机器人编队服务器中对切换领航者机器人的判断如下:
多机器人编队服务器计算编队中所有机器人位置与新目标点位置的直线距离，当有一跟随者机器人与新目标点间的距离小于领航者机器人与新目标点的距离，设定新目标点为S2，领航者机器人为R1，其中一个距离新目标点较近的跟随者机器人为R2；
领航者机器人R1与新目标点的直线距离L1＝S2-R1；
跟随者机器人R2与新目标点的直线距离L2＝S2-R2；
当L1与L2的差值超过15m，则多机器人编队服务器判定需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，多机器人编队服务器中对新的领航者机器人的确定方式为：
选取所有机器人中与新目标点之间的距离最近的机器人为领航者机器人。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，多机器人编队服务器中对新的领航者机器人的确定方式为：
当有多个机器人与新目标点之间的距离误差在0-3m内，按照少改变原先队形中的编队跟随关系，保持较为稳定的编队状态来指定新的领航者机器人。
作为本发明进一步的方案：步骤三中，切换领航者机器人采用一键切换的编队控制方法，包括如下步骤：
W1：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，即原其中一个跟随者变新的领航者机器人；
W2：修改新领航者机器人的.bashrc文件，将其中的MASTER_URI更改为其自身本地的ip地址；
W3：将新领航者机器人的ip地址广播至其余各个机器人；
W4：改原领航者机器人的.bashrc文件，将其中的MASTER_URI更改为新领航者机器人的ip地址；
W5：继续运行多机器人编队服务器的编队控制程序。
作为本发明进一步的方案：一键切换的编队控制方法是基于机器人操作系统ROS的分布式节点框架体系，利用ROS中的多机通信机制实现多机器人的通信；
实现多机通信机制包括以下设置：
K1：使所有机器人连接同一路由器，机器人ROS主控需要处于同一个局域网；
K2：设置领航者机器人和跟随者机器人的环境变量，通过修改ROS系统中的.bashrc文件来完成。
作为本发明进一步的方案：领航者机器人.bashrc文件中的MASTER_URI和HOSTNAME的地址都对应领航者机器人的本地ip地址；
跟随者.bashrc文件中的MASTER_URI和HOSTNAME的地址分别对应领航者机器人的ip地址和跟随者自身的本地ip地址。
作为本发明进一步的方案：一键切换的编队控制方法在完成多机通信机制后，再对多机器人进行多机时间同步设置，使多机机器人达到时间同步。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出了一种领航者可变的多机器人编队控制方法，当多机器人探索过程中目标点突然变换，编队控制系统能够较快较准确的判断是否应该更换领航者，在更换过程中是以能够快速到达新目标点为基础的，可以实现较快的变换编队队形同时保持编队运动控制稳定；
(2)本发明提出了一种领航者和跟随者一键切换的编队控制方法，可以快速的实现更换领航者，以形成新的编队队形，从而快速地编队到达新目标点，保证探索工作的顺利进行。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明流程图的结构示意图；
图2是本发明变换领航者场景的结构示意图；
图3是本发明领航者与跟随者一键切换的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3所示，本发明为一种领航者可变的多机器人编队控制方法，包括如下步骤：
步骤一：多机器人编队服务器通过设置的目标点1保持编队队形行进，行进过程中，多机器人编队服务器向领航者机器人发送行进指令，领航者机器人开启导航避障，跟随者机器人通过接收领航者机器人的运动控制指令保持行进；
步骤二：行进过程中，多机器人编队服务器检测到特殊紧急情况或收到必要命令，目标点由目标点1修改为目标点2，多机器人编队服务器进入判断阶段，判断是否需要切换领航者机器人；
若需要切换领航者机器人，则进入步骤三；
若继续保持当前领航者机器人，则进入步骤四；
步骤三：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，调整其余机器人为跟随者机器人，形成一个新的领航跟随关系，按照新的领航者编队队形向目标点行进；
步骤四：多机器人编队服务器控制按照原有编队队形向目标点行进，当多机器人编队服务器检测到领航者机器人的位置信息已经到达目标点位置后，控制中心发布速度控制指令，将所有机器人速度设为0，至此编队完成。
步骤二中，多机器人编队服务器中对是否需要切换领航者机器人的判断包括如下方式：
方式一：将领航者机器人朝着原目标(目标点1)的运动位置与新目标点(目标点2)的位置进行比较；
当朝着新目标点前进的领航者机器人需要改变的运动方向超过了45°，则多机器人编队服务器需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
方式二：多机器人编队服务器计算编队中所有机器人位置与新目标点(目标点2)位置的直线距离，若有一跟随者机器人与新目标点间的距离已经远小于领航者机器人与新目标点的距离，多机器人编队服务器所设定的距离差阈值15m，设定新目标点为S2，领航者机器人为R1，其中一个距离新目标点较近的跟随者机器人为R2；
当领航者机器人与新目标点的直线距离L(S2-R1)和跟随者机器人R2与新目标点的直线距离L(S2-R2)差值超过15m，则多机器人编队服务器判定需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
步骤二中，多机器人编队服务器中对于切换领航者机器人的判断仅需满足方式一或方式二的条件，则多机器人编队服务器就需要重新选定一个领航者机器人，其余机器人自动分配为跟随者机器人。
步骤三中，多机器人编队服务器中对确定新的领航者机器人判断如下：
S1：选取所有机器人中新领航者机器人与新目标点之间的距离是相对最近的；
S2：若有多个机器人与新目标点之间的距离差不多近，误差控制在0-3m，那么按照尽少地改变原先队形中的编队跟随关系，保持较为稳定的编队状态来指定新的领航者机器人。
在一个具体的实施例中，本发明还提供了一种领航者与跟随者一键切换的编队控制方法，当多机器人编队服务器已经判定需要更换领航者机器人且指定了新的领航者机器人后，需要将原有的领航者机器人变为跟随者机器人，而原有的一个跟随者机器人变换为领航者机器人；
首先在实现多机器人编队控制之前，需要完成多机通信和多机时间同步两个步骤，然后开启编队控制；在编队过程中检测到目标点发生变换，且满足上述步骤二中需要变换领航者的判断条件；多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，作为被指定的新领航者机器人，多机器人编队服务器将其改为整个系统的rosmaster(系统主控制节点)，将原领航者机器人和其余的跟随者机器人的master的ip修改为新领航者机器人的ip；
具体的，一键切换领航者机器人与跟随者机器人的步骤如下：
W1：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，即原其中一个跟随者变新的领航者机器人；
W2：修改新领航者机器人的.bashrc文件(个性化设置文件)，将其中的MASTER_URI(系统主控)更改为其自身本地的ip地址；
W3：将新领航者机器人的ip地址广播至其余各个机器人；
W4：改原领航者机器人的.bashrc文件，将其中的MASTER_URI更改为新领航者机器人的ip地址；
W5：继续运行多机器人编队服务器的编队控制程序。
其中，领航者机器人与跟随者机器人一键切换基于机器人操作系统ROS的分布式节点框架体系，利用ROS中的多机通信机制实现了多机器人的通信；
实现多机通信机制包括以下设置：
K1：所有机器人连接同一路由器，使机器人ROS主控需要处于同一个局域网；
K2：设置领航者机器人和跟随者机器人的环境变量，通过修改ROS系统中的.bashrc文件来完成；
具体的，作为领航者，其.bashrc文件中的MASTER_URI和HOSTNAME的地址都对应领航者的本地ip地址；而作为跟随者，其.bashrc文件中的MASTER_URI和HOSTNAME的地址分别对应领航者的ip地址和跟随者自身的本地ip地址。
一键切换领航者机器人与跟随者机器人还包括对多机器人进行多机时间同步设置，多机时间同步设置分为机器人均联网和均断网；
均联网：即所有机器人都能成功连上网络，自动实现同步时间；
均断网：即所有机器人均无法连接上网络，需要手动同步时间，通过使用date命令完成时间同步。
本发明的核心点之一：在于当多机器人探索过程中目标点突然变换，编队控制系统可以较快较准确的判断是否应该更换领航者；在更换过程中是以能够快速到达新目标点为基础的，可以实现较快的变换编队队形同时保持编队运动控制稳定；
本发明的核心点之二：在于首先通过判断条件系统可以快速地判决出是否应该更换领航者，其次在选定新的领航者时，是以能够快速到达新目标点且尽少地改变原先编队队形的基础上，选择新领航者机器人的，在选择完新的领航者机器人后，编队控制系统还可以快速实现领航者和跟随者的一键切换，从而形成新的编队队形，更加迅速且稳定的编队至目标点进行探索工作。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种领航者可变的多机器人编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：多机器人编队服务器通过设置的目标点1保持编队队形行进，行进过程中，多机器人编队服务器向领航者机器人发送行进指令，领航者机器人开启导航避障，跟随者机器人通过接收领航者机器人的运动控制指令保持行进；
步骤二：行进过程中，多机器人编队服务器检测到特殊紧急情况或收到必要命令，目标点由目标点1修改为目标点2，多机器人编队服务器进入判断阶段，判断是否需要切换领航者机器人；
若需要切换领航者机器人，则进入步骤三；
若继续保持当前领航者机器人，则进入步骤四；
步骤三：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，调整其余机器人为跟随者机器人，形成一个新的领航跟随关系，按照新的领航者编队队形向目标点行进；
步骤四：多机器人编队服务器控制按照原有编队队形向目标点行进，当多机器人编队服务器检测到领航者机器人的位置信息已经到达目标点位置后，控制中心发布速度控制指令，将所有机器人速度设为0，至此编队完成。
2.根据权利要求1所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，步骤二中，多机器人编队服务器中对切换领航者机器人的判断如下:
将领航者机器人朝着原目标的运动位置与新目标点的位置进行比较；
当朝着新目标点前进的领航者机器人需要改变的运动方向大于45°，则多机器人编队服务器需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，步骤二中，多机器人编队服务器中对切换领航者机器人的判断如下:
多机器人编队服务器计算编队中所有机器人位置与新目标点位置的直线距离，当有一跟随者机器人与新目标点间的距离小于领航者机器人与新目标点的距离，设定新目标点为S2，领航者机器人为R1，其中一个距离新目标点较近的跟随者机器人为R2；
领航者机器人R1与新目标点的直线距离L1＝S2-R1；
跟随者机器人R2与新目标点的直线距离L2＝S2-R2；
当L1与L2的差值超过15m，则多机器人编队服务器判定需要重新选定领航者机器人；
否则，则无需对领航者机器人进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，步骤三中，多机器人编队服务器中对新的领航者机器人的确定方式为：
选取所有机器人中与新目标点之间的距离最近的机器人为领航者机器人。
5.根据权利要求1所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，步骤三中，多机器人编队服务器中对新的领航者机器人的确定方式为：
当有多个机器人与新目标点之间的距离误差在0-3m内，按照少改变原先队形中的编队跟随关系，保持较为稳定的编队状态来指定新的领航者机器人。
6.根据权利要求1所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，步骤三中，切换领航者机器人采用一键切换的编队控制方法，包括如下步骤：
W1：多机器人编队服务器指定新的领航者机器人，即原其中一个跟随者变新的领航者机器人；
W2：修改新领航者机器人的.bashrc文件，将其中的MASTER_URI更改为其自身本地的ip地址；
W3：将新领航者机器人的ip地址广播至其余各个机器人；
W4：改原领航者机器人的.bashrc文件，将其中的MASTER_URI更改为新领航者机器人的ip地址；
W5：继续运行多机器人编队服务器的编队控制程序。
7.根据权利要求6所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，一键切换的编队控制方法是基于机器人操作系统ROS的分布式节点框架体系，利用ROS中的多机通信机制实现多机器人的通信。
8.根据权利要求7所述的一种领航者可变的多机器人编队控制方法,其特征在于，一键切换的编队控制方法在完成多机通信机制后，再对多机器人进行多机时间同步设置，使多机机器人达到时间同步。
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