[发明专利]一种基于室内全局定位的多移动机器人编队控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人导航领域，尤其是一种移动机器人的定位和编队控制方法。

背景技术

移动机器人作为一种自主、智能的运输平台和载体，适用于侦查、盯梢、搜索和跟踪等危险、污染、极端的环境。自主导航是移动机器人在未知、非结构环境下进行自主作业的核心技术，而定位技术又是机器人完成自主导航任务的最基本环节。与应用比较成熟的GPS、北斗等室外定位与导航技术不同，精准室内定位技术目前相对较弱，而消防救援、抢险救灾、冲突反恐、自主对接、合作搬运等应用领域又对室内定位技术提出了现实需求。

根据定位技术和传感器的不同，移动机器人室内定位技术主要包含航迹推算、图形匹配和信标定位。航迹推算定位是一种基于位姿递推方式的相对定位方法，但该方法存在定位误差随时间累积的缺陷；图形匹配定位方法需依据外部环境建立全局或局部地图，该方法受外部环境影响较大，且大多适用于确定性静态环境；基于信标定位方法可以提供稳定、精确的全局绝对位置信息，但该方法的前期部署、后期维护工作量较大。

目前，移动机器人室内信标定位技术主要包括基于无线传感网络和超声波的两种定位方法。采用WLAN、ZigBee、Bluetooth等的无线传感网络定位技术通过信号特征信息来分析推算机器人的当前位置信息，该定位技术不受视距约束，但定位精度相对较低；而基于超声波的信标定位技术具有抗电磁干扰能力强、信标铺设位置灵活、定位精度相对较高等优点。

多机编队控制问题是多移动机器人技术领域的一个重要分支，其在联合侦查、群体盯梢、协作救援、合作搬运、传感网络等军事和民用领域具有广阔的应用背景。多机编队控制问题是多个移动机器人自主协作形成一个预期的几何图形以完成特定的目标任务，并在未知、非结构环境条件下执行作业任务时尽可能保持既定编队队形不变。在多机编队问题的自主成形、队形保持、队形变换等过程中，一个最基本的问题就是各个移动机器人需要实时获取自身的位置指标，因此，精确定位方法是实现多移动机器人编队控制的先决条件和支撑技术。

在多移动机器人编队控制领域，国内目前的现状是学术研究多于实际应用，而学术研究绝大部分都是在假设已知各个机器人位置坐标基础上进行理论分析与仿真计算，真正结合实物机器人的应用验证甚少，其中一个重要原因就是缺乏室内全局定位方法与硬件的有效支持。在专利“基于无线传感网络的多机器人编队系统和编队方法(CN102662377A)”中，利用Zigbee协议建立无线局域网，依据移动机器人自身接收信号的强度实时确定自身位置，该方法因定位精度相对较低而导致多机编队效果欠佳。在专利“一种基于蓝牙通讯的多机器人编队控制路径跟踪方法(CN103901889)”中，采用iSpace摄像头位置捕捉系统来获取移动机器人的位置信息，并通过蓝牙将位置信息发送给移动机器人，该定位方法存在通讯距离短、成本相对较高等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，针对室内移动机器人定位精度低、适用范围有限，以及多移动机器人编队控制领域缺乏有效的室内定位方法等实际问题，本发明提出一种基于室内全局定位的多移动机器人编队控制方法，将一种新型的室内全局定位方法引入多移动机器人编队控制问题中，旨在解决室内移动机器人的自主定位问题，从而为多移动机器人的自主成形、队形保持、主动避障、队形变换和目标跟踪等提供一种有效、实时、准确的室内全局定位方法支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1、本发明包括一套室内全局定位系统和N个移动机器人，其中室内全局定位系统包括四个固定信标、一台定位基站控制器和N个搭载在移动机器人上的移动信标，将四个固定信标安装在高于移动机器人运动平面的墙面上，在避免遮挡的情况下使固定信标两两相对且不在同一平面内，并保证移动机器人运动区域无遮挡；

固定信标是整个室内定位系统用来构建全局坐标系的基准，接收每个移动信标发出的超声波信号并记录其ID码，在接收过程中四个固定信标将会接收所有移动信标的超声波信号；

移动信标携带唯一的ID码以标识每个移动机器人，并以固定频率发射超声波信号，该固定频率设定在10-20Hz之间；