[发明专利]一种多移动机器人系统半自主编队及避障控制方法

说明书

本发明公开了一种多移动机器人系统半自主编队及避障控制方法，先利用控制算法进行全自主避障，计算出刚体最前方机器人下一时刻的目标位置，在移动的过程中各个编队成员的相对位姿保持不变，保持一个固定的刚体结构，当观测到编队后方的机器人与障碍物的距离小于安全距离时，采用结合力反馈手控器的半自主避障方法控制刚体的移动方向，在通过双侧障碍物环境时，先采用单侧障碍环境下的半自主避障方法，若无法满足要求，则采用基于分布式通信的队形切换方法改变队形通过障碍。优点是：建立了一个融合操作人员认知和避障控制算法的多机器人系统，该发明弥补了全自主多机器人避障系统鲁棒性差的不足，和完全由操作人员控制效率和精度低下的缺点。

技术领域

本发明涉及一种多移动机器人系统的半自主避障及编队控制方法，结合力反馈手控器和虚拟刚体法的编队避障和队形切换可应用于多机器人在复杂环境的协作作业等领域。

背景技术

随着移动机器人技术的不断推广，单个机器人在避障及最佳路径规划方面已经日趋成熟，如即时定位与地图构建(SLAM)技术已应用到不同的移动机器人领域。独立的机器人由于传感器有限，有时因工作效率低下、鲁棒性较差，难以满足复杂的任务要求，而多移动机器人系统可以融合多个机器人采集的环境信息，在复杂环境里的协作作业能够提高工作的效率，提高系统的稳定性。

对于不确定的复杂环境，在多种因素的影响下，多移动机器人系统的全自主协作避障很难实现，编队成员经常会出现通信“失联”造成系统瘫痪。全自主机器人系统避障的过程中由于存在局部最优解，系统难免会遇到死锁现象，以往多机器人编队切换方法里编队成员之间不存在约束作用，队形改变时经常出现发散现象。所以全自主的编队避障方法并不可靠，在一些特殊的任务环境中还需要融合操作员的认知来协助作业。而操作人员通过摄像头监控和遥操作的方法控制多机器人系统的工作又过于疲劳，且控制精度较低。

发明内容

发明目的：鉴于上述问题，本发明提出一种多移动机器人系统半自主编队及避障的方法。在多机器人编队系统里引入遥操作和虚拟刚体的概念，建立一个融合操作人员认知和避障控制算法的多机器人系统，该发明弥补了全自主多机器人避障系统鲁棒性差的不足，和完全由操作人员控制效率和精度低下的缺点。

技术方案：

多移动机器人系统在保持队形前进的过程中若遇到单侧障碍物，首先利用控制算法进行全自主避障，计算出刚体最前方机器人下一时刻的目标位置，在移动的过程中各个编队成员的相对位姿保持不变，保持一个固定的刚体结构。当观测到编队后方的机器人与障碍物的距离小于安全距离时，即全自主避障无法满足时，采用结合力反馈手控器的半自主避障方法控制刚体的移动方向。在通过双侧障碍物环境时，先采用单侧障碍环境下的半自主避障方法，若无法满足要求，则采用基于分布式通信的队形切换方法改变队形顺利通过障碍。

1)本发明提出一种基于虚拟刚体法的多移动机器人系统避障方法，适用于单侧障碍物环境，把整个机器人编队看作一个虚拟的刚体，刚体内任意两个机器人的相对位姿是固定不变的。首先利用无操作人员干预的全自主避障方法，刚体最前方的成员计算出下一时刻的位置坐标广播给每个编队成员，同时在虚拟刚体框架坐标下为每一个机器人建立一个矢量，当某个机器人偏离预想的坐标时，用强制矢量把它拉回所需位置保持机器人成员的相对位姿不变，同时避免编队与障碍物碰撞；当上述全自主避障方法效果不太理想时，采用一种半自主的避障方法，在刚体质心位置建立一个虚拟的刚体矢量，用力觉反馈手控器控制该虚拟刚体矢量，结合操作人员的认知改变整个编队的方向和速度，同时反馈给操作人员一种临场力觉感；

所述机器人编队成员是由3-5个载有激光雷达和深度相机的差速机器人组成，多机器人系统队形可以预定义，即提前定义不同机器人之间的距离和角度等；

所述虚拟刚体是指把多机器人系统看成一个整体结构的存在，内部任意两点的相对位置固定不变；