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申请/专利权人：中国安全生产科学研究院

摘要：本发明涉及一种面向多机器人编队的动态优化队形变换方法，包括：建立虚拟领航者‑领航者‑跟随者模式的多机器人编队几何结构；进行路径规划得到从领航机器人当前位置到目标位置的无碰撞全局路径；以全局路径为参考轨迹，机器人编队在领航机器人的领航下执行编队跟随任务；在编队跟随任务中，领航机器人实时跟踪虚拟领航机器人的位置，检测和提取包括道路边界及障碍物在内的环境信息，计算队形伸缩因子，输出队形变换指令；根据队形变换指令，多机器人编队执行动态队形调节；或执行路径规划更新；或结束本次编队跟随任务。本发明实现了编队能够根据环境约束合理快速地实现队形变换，并减少能量损耗和队形调节时间。

主权项：1.一种面向多机器人编队的动态优化队形变换方法，其特征在于，包括：建立虚拟领航者-领航者-跟随者模式的多机器人编队几何结构；指定编队中一台机器人为领航机器人，其余为跟随机器人，并设定一台虚拟领航机器人在编队参考轨迹点上随队行进；设定一台虚拟领航机器人R0，虚拟领航机器人在编队参考轨迹点上随队行进，指定n台消防机器人中其中一台机器人为领航机器人R1，其他机器人为跟随机器人R2，…，Rn，n大于等于2；进行路径规划得到从领航机器人当前位置到目标位置的无碰撞全局路径；以所述全局路径为参考轨迹，机器人编队在领航机器人的领航下执行编队跟随任务；在编队跟随任务中，领航机器人实时跟踪虚拟领航机器人的位置，检测和提取包括道路边界及障碍物在内的环境信息，计算队形的伸缩因子ξ，输出队形变换指令，进行队形变换控制；领航机器人根据测得的最小通行宽度Dmin和初始状态下编队的期望队形宽度D0之间的比值，得到队形的伸缩因子ξ； 式中，和分别为初始时刻t0时跟随机器人R2与虚拟领航机器人之间的期望距离和期望方位角；根据队形变换指令，多机器人编队执行动态队形调节；或执行路径规划更新，以新的全局路径执行编队跟随任务；或结束本次编队跟随任务；其中，当伸缩因子ξ大于1时，输出队形零变换指令σ＝0，编队只需要保持原队形继续前进，队形宽度设置为D＝D0；当伸缩因子ξ处于第一阈值和1的取值区间内时，输出队形同构变换指令σ＝1，编队进行适当的队形收缩而无需变换新队形即可通过前方的通道；队形宽度设置为D＝D0ξ-b；b为机器人的宽度；当伸缩因子ξ处于第二阈值和第一阈值的取值区间内时，输出队形异构变换指令σ＝2，编队必须变换成新的队形才能通过前方通道；队形宽度设置为D＝b；当伸缩因子ξ不大于第二阈值时，输出队形异常状态指令σ＝-1，编队无法通过前方通道，等待下一步指令；其中，第一阈值第二阈值b为机器人的宽度；队形变换指令下，领航机器人与虚拟领航机器人间的期望距离、期望方位角如下式： 其中，表示异常值，领航机器人退出当前编队跟随任务，等待下一步指令；队形变换指令下，各跟随机器人和虚拟领航机器人间的期望距离距离、期望方位角如下式： 其中， 式中，i∈{2，3}；表示异常值，跟随机器人退出当前编队跟随任务，等待下一步指令；xit、yit为t时刻跟随机器人i的位置坐标，x0t、x0t为t时刻虚拟领航机器人的位置坐标；在队形变换的控制中，建立了包括能量损耗率、队形调节时间比、队形失真度在内的队形变换性能评价函数；所述能量损耗率为实际能耗和理论能耗差值与理论能耗的比值；编队在时间[t0,t]内队形变换总的能量损耗率函数fet设置为： 式中，ΔErt和ΔEtt分别为编队在时间[t0,t]内的实际能耗和理论能耗；vi为机器人Ri的速度；所述队形调节时间比为队形调节总时间与行驶总时间的比值；编队在时间[t0,t]内队形调节时间比函数frt设置为： 式中，为变换次数；为机器人Ri在时间[t0,t]内总的变换次数；tj,s和tj,e分别为机器人在第j变换时从当前队形变换到目标队形的起始时刻和结束时刻；所述队形失真度为编队当前队形与期望队形的畸变量与当前队形的比值；队形失真度函数fst设置为： 建立环境适应度函数ft作为衡量编队变换策略优劣的综合效能评价指标；ft＝λefet+λrfrt+λsfst；其中，fet为能量损耗率；frt为队形调节时间比；fst为队形失真度；λe＞0、λr＞0、λs＞0分别为能量损耗率的权重因子、队形调节时间比的权重因子、队形失真度的权重因子，并且满足λe+λr+λs＝1。

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百度查询： 中国安全生产科学研究院 面向多机器人编队的动态优化队形变换方法