[发明专利]基于距离-角度优先级的多移动机器人编队避障方法

说明书

本发明提供一种基于距离‑角度优先级的多移动机器人编队避障方法，(1)根据机器人数量建立队形数据库；(2)形成距离‑角度优先级避障策略；对单双侧障碍物与队形的距离进行分析，判断是否需要避障，若需要则根据距离‑角度优先级判断以何种队形避障，并调用步骤(1)中的队形数据库进行避障准备；(3)设计运动控制器，根据决策的避障队形开始避障；(4)避障结束后，快速恢复队形。本发明通过建立队形数据库，对单侧障碍物和双侧障碍物与机器人队形之间的距离进行分析，得到最短路径避障策略，根据跟随者与虚拟领航者的相对位姿及运动学方程，利用反步法设计运动控制率，使机器人完成稳定编队的同时通过障碍物并迅速恢复队形。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于距离-角度优先级的多移动机器人编队避障方法略。

背景技术

目前，多移动机器人广泛应用在生产生活中，如变电站巡检、无人值守仓库、自动化工厂货物运输、搬运等，通过机器人之间的协作，有效节约投资成本，提高工作效率。在多机协调完成任务过程中，通常会遇到静态或动态障碍物，所以有效避障是必要的，否则会造成任务失败。目前常用的避障方法有两种，一种为编队拆分避障，如栅格法、可视图法、模糊逻辑法、RTT算法、遗传算法等，另一种为编队整体避障，如人工势场法、模型预测控制法、固定队形变换法和基于行为法等。编队整体避障能使编队内部维持原有控制，通过动态调节队形进行在线避障，相比于拆分避障，更为具有灵活性、整体性和可靠性，可以有效避免拆分避障出现的跟随者掉队、机器人之间的碰撞问题，但多机之间若没有进行有效的协调和沟通，将不能发挥出多机协同避障的优势，造成严重的经济损失。为此，中国专利《一种面向多移动机器人系统的模糊编队及避障控制方法》(申请日：2013.09.06；申请号：201310402941.3；公开日：2013.12.18；专利号：CN 103455033 A)公开一种基于模糊控制的以领航机器人广播的形式告知所有跟随机器人避障，跟随者根据存储的不同队形信息以及领航机器人广播的信息切换队形的方法，但模糊规则繁杂且属人为规定，控制精度难以保证，且没有考虑避障后队形恢复和机器人之间在避障过程中碰撞问题。中国专利《一种多无人机编队飞行避障控制策略制定方法》(申请日：2018.10.29；申请号：201811272488.8；公开日：2019.03.29；专利号：CN 109542115 A)公开一种基于斥力场函数的编队避障方法以及避障后路径重规划策略，保证在多机编队执行任务中，实现机内实时避障，但斥力场越大，无人机离开触发区的响应速度和运动速度越快，队形变换超调量较大，控制系统稳定性降低。

针对机器人避障过程中机器人之间碰撞、队形变换超调量大的问题，本发明提出一种距离-角度优先级避障策略。充分考虑机器人的自身安全距离和通讯范围，设计基于距离和角度优先级避障策略，并设计运动控制器，使多个机器人安全稳定地完成避障的同时提高避障效率，使避障路径最短。

发明内容

本发明的目的是针对二维平面提供一种基于距离-角度优先级的多移动机器人编队避障方法，使多个机器人在复杂环境中能够在线有效避障，同时提高工作效率，使机器人编队整体避障总的运动路径最短。

为减小跟随者对领航者的过度依赖，同时避免链式结构造成的跟踪误差累积问题，采用虚拟领航-跟随结构。通过建立队形数据库，由机器人安全距离设计距离-角度优先级策略，对避障避碰进行规划，并根据领航者与跟随者相对位姿误差状态方程设计运动控制器，使机器人群完成避障后恢复初始队形继续稳定运动。

基于距离-角度优先级的多移动机器人编队避障方法，包括以下步骤：

(1)根据机器人数量建立队形数据库；

(2)形成距离-角度优先级避障策略；对单双侧障碍物与队形的距离进行分析，判断是否需要避障，若需要则根据距离-角度优先级判断以何种队形避障，并调用步骤(1)中的队形数据库进行避障准备；

(3)设计运动控制器，根据步骤(2)中决策的避障队形开始避障；

(4)避障结束后即最后一个机器人通过障碍物，快速恢复队形。