[发明专利]一种基于鱼群效应的医疗运输机器人及自适应巡航跟随方法

权利要求书

1.一种基于鱼群效应的医疗运输机器人自适应巡航和跟随方法，其特征在于，所述医疗运输机器人包括运输箱体、摄像头、激光雷达传感器、红外避障传感器、机器人本体和若干轮子，其中：

所述运输箱体设置于所述机器人本体上方，用于内部放置医疗用品；

所述机器人本体内部设置有控制器、驱动电机、WLAN通信模块和电源模块，其中：

所述摄像头位于所述机器人本体的正面上部，用于通过自带舵机控制，采集所述机器人本体前方的图像数据并通过所述WLAN通信模块实时传输给外部上位机；

所述激光雷达传感器位于所述机器人本体正面，并与所述控制器电性连接，用于测量所述机器人本体前方路障与所述机器人本体之间的距离并将距离信息反馈给所述控制器；

所述红外避障传感器有两组，分别位于所述机器人本体正面且位于所述激光雷达传感器的下方两侧，并与所述控制器电性连接，用于感测所述机器人本体前方的路障情况并将其反馈给所述控制器；

所述控制器与所述驱动电机电性连接，用于根据所述激光雷达传感器反馈的距离信息和所述红外避障传感器反馈的路障情况控制所述驱动电机的运转；

所述电源模块与所述摄像头、激光雷达传感器、红外避障传感器和驱动电机电性连接，用于提供所述摄像头、激光雷达传感器、红外避障传感器和驱动电机的工作电源；

若干所述轮子位于所述机器人本体下方，用于在所述驱动电机驱动下带动所述机器人本体前后移动；

当所述医疗运输机器人处于智能跟随模式时，通过所述激光雷达传感器控制，实现实时跟随医护人员前进或后退；

当所述医疗运输机器人处于寻迹运行模式时，医护人员预先设置好行进路线，通过所述红外避障传感器寻迹前进；

当所述医疗运输机器人处于WLAN控制模式时，通过所述摄像头传输实时图像给医护人员随身携带的上位机，医护人员随时控制医疗运输机器人移动；

使用上述医疗运输机器人协同行驶，包括以下步骤：

步骤1：机器人的传感器实时采集当前机器人的运动状态，包括本体速度、加速度，若感知到前方有另一机器人，还会采集两者之间的距离；

步骤2：根据当前车速与两者间距，与固定时间后的两者间距进行对比，可以得出前机器人速度与当前机器人速度的大小对比；

步骤3：需要自适应巡航和跟随时，利用基于仿生鱼群效应的数学建模计算符合当前情况的加速度、速度信息并传输信号给控制器；

所述步骤3中仿生鱼群效应的数学建模如下：

构建二维坐标平面，分别将需要协同行驶的运输机器人设为A车、B车、C车……，车与车之间经过数学建模后看作是引力和斥力类型相互作用，车车间距设为R；

仅考虑车车间互相间有作用力，和车在行进中本身的速度，以第一辆跟随车B车为例，在车的行进过程中，B车受到的合力记为：

F_B(t)＝F_B⁽¹⁾(t)+F_B⁽²⁾(t) (1)

其中，F_B(t)是指B车受到的合力，F_B⁽¹⁾(t)是指B车本身速度带来的速度分量，F_B⁽²⁾(t)是指A车给B车带来的控制分量；

F_B⁽²⁾(t)在车与车的距离过近时表现为斥力，在距离过远时表现为引力，而由牛顿第二定律可知，物体运动状态的变化与它受到的作用力有关，所以B车受到的合力：

其中，m_B表示B车的质量，a_B(t)表示B车在t时刻运动时的加速度；

B车本身当前速度值设为V_B,速度分量表现为速度与时间和质量的关系，即：

假设在二维坐标系中，车的几何中心看作车的位置，设定母车A的位置为：

P_A(t)＝[x_A(t),y_A(t)] (4)

相邻B车的坐标为P_B(t)＝[x_B(t),y_B(t)]，记为初始值，所以母车A与相邻的子车B之间的距离记为：

坐标系内车的移动是向量移动，多车协同运动时方向会倾向于相邻车的运动方向，B车方向会跟随A车，而C车方向会跟随B车，以此类推；

相邻两车有一个发生即将碰撞的临界距离，根据物理知识，该距离记为：

其中，a_f与车的重量及车与地面的摩擦因数有关，此处以B车为例，即：

F_f(t)＝m_Ba_f(t)＝m_Bμ(t)g (7)

其中，μ(t)是指车的轮胎与当前地面的摩擦因数，g是指重力加速度；

车车间作用力根据车车间距相关，当B车与母车A车的距离S_AB(t)大于S(t)时，该作用力表现为引力，记作F_吸(t)，当距离越大时，该力数值越大；当B车与母车A车的距离S_AB(t)小于S(t)时，该作用力表现为斥力，记作F_斥(t)，当距离越小时，该力数值越大；

由此设定可知，F_吸(t)和F_斥(t)均是指数函数形式的作用力，即：

其中，α₁和α₂均是设定参数，λ₁和λ₂为指数参数，|F_吸(t)|和|F_斥(t)|表示两个力的大小，β表示指数函数中的指数，根据建模可设，

F_吸(t)的方向为F_斥(t)的方向为

根据当前情况，斥力引力只表现为正负；

综上，规定行进方向为正方向，

即：

计算符合当前情况的加速度、速度信息并传输信号给控制器，从而实现多机器人的自适应巡航和跟随功能；

步骤4：在前机器人离开跑道或当前机器人到达设定好的位置时，关闭自适应巡航，完成后续动作。