基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，将目标点具象化为若干的坐标点，由这些目标点来描述目标配置，通过匈牙利算法在此基础上分配机器人和目标点之间的对应关系，当机器人与目标点之间的对应关系确定后，分别做机器人与其对应目标点之间的连线，相应地这条直线会与每个机器人所在的单元有一个交点或目标点已经位于单元内，如有交点，则这个交点将被作为该机器人下一次运动的目标点，否则直接移动到目标点，如此迭代，使得每个机器人都运动到目标位置。本发明专利技术所实现的路径规划方法在时间消耗、方案适用性以及路径长度上均有很大程度的提升，目标配置精度高，“死锁”概率小，节约时间，减少能源消耗。

【技术实现步骤摘要】
基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法
本专利技术涉及一般的控制或调节系统；这种系统的功能单元；用于这种系统或单元的监视或测试装置的
，特别涉及一种数量较为庞大的机器人群体的自组装实现且可拓展应用于路径规划的基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法。
技术介绍
群组机器人是指数量较为庞大的机器人群体，互相关联、各自分配任务。现有技术中，群组机器人自组装方法普遍存在着耗时长、路径不合理等缺陷。群组机器人的路径规划方法主要包括领导者-跟随者策略、行为和规则方法、基于压缩voronoi图实现自组装的方法。领导者-跟随者策略通过选举出领导机器人，其它机器人保持一定距离的跟随来实现，这一方法存在着精度低，碰撞可能性高等缺陷。行为和规则方法是将人类或生物群体的活动规律引入到群组机器人的路径规划当中，这类方法最大的不足在于随着机器人数量的增多，时间消耗会大幅增加。基于压缩Voronoi图实现自组装的方法虽然在时间消耗上有较大的改善，但仍存在着目标配置精度低、高维状态下“死锁”频发而造成时间损耗再次加长的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种优化的基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，在时间消耗、方案适用性以及路径长度上均有很大程度的提升，节约时间，减少能源消耗。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：得到目标配置，基于目标配置确认所有目标点的坐标位置、所有机器人的初始位置及可活动区域；步骤2：若当前所有机器人到达各自对应目标点的坐标位置处，则算法结束，否则，进行下一步；步骤3：采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点；步骤4：根据当前所有机器人的所在位置，在可活动区域内生成Voronoi图；步骤5：判断每个目标点是否在对应机器人所在的单元内，如是，则直接将机器人移动到目标点，否则，获得当前机器人到对应目标点的连线，取连线与当前机器人所在的单元的交点，将当前机器人移动到所述交点；当所有机器人移动完后，返回到步骤2。优选地，所述步骤3中，采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点包括以下步骤：步骤3.1：建立资源分配的效益矩阵Z0，Z0为n*n的矩阵；步骤3.2：将Z0以行为单位，每行减去当前行中最小的元素，得到Z1，Z1中每行均有至少一个0元素；步骤3.3：将Z1以列为单位，每列减去当前列中最小的元素，得到Z2，Z2中每列均有至少一个0元素；步骤3.4：针对Z2，从单个0元素的行或列开始，将其中的0元素变为Θ，将这个0元素所在列或行的其它0元素置为Φ，重复，直到处理完所有列或行的单个0元素；步骤3.5：判断Z2中是否还存在0元素，若否，进行下一步，否则，从剩余的0元素最少的行开始，如果0元素不止一个，将标志位Flag置为1并随机取其中的一个0元素置为Θ，然后将同行同列的其它0元素置为Φ，重复步骤3.5；步骤3.6：若Θ元素的数目m与n相等，则将所有Θ元素所在位置的元素置为1，其他位置的元素置为0，记为指派矩阵X，进行步骤4；否则，进行下一步；步骤3.7：记录没有Θ元素的行的行坐标，记为集合M，记录M的行中含有Φ元素的列的列坐标，记为集合N，记录集合N包含的列中Θ元素的所在行的行坐标，记录于集合M中，重复，直到满足条件的行坐标和列坐标全部收录于集合M或集合N中；步骤3.8：将没有记录于集合M的行的个数与记录于集合N中的列的个数之和记为l，若l＜n，则进行下一步，若l＝n，判断Flag是否为1，若是，则返回步骤3.5并以步骤3.3得到的Z2重新操作，若否，则返回步骤3.4，将处理方式改为列处理或行处理；步骤3.9：定义Mi∈M，Ni∈N，i∈[1,n]，取矩阵中非的矩阵元素中的最小值，记为a，其中，非指非Z2矩阵中横纵坐标由(Mi,Ni)组成的矩阵元素；对所有非Mi行的非0元素减去a，对所有Ni列的非0元素加上a，将矩阵中的Θ元素和Φ元素变回0元素，将更新后的矩阵传送回步骤3.4中。优选地，若步骤3.8中，l＝n且Flag为1，则返回步骤3.5后，当Z2中还存在0元素时，从剩余的0元素不止一个且数量最少的行中随机取出并置为Θ的0元素与所有之前取出的不同。优选地，所述步骤5中，判断每个目标点是否在对应机器人所在的单元包括以下步骤：步骤5.1：设定计数变量count＝0；步骤5.2：以目标点为端点向左引一条射线L；遍历机器人所在单元的每一条边S；步骤5.3：若目标点在边S上，则目标点位于机器人所在的单元内，否则进入步骤5.4；步骤5.4：如果S的一个端点在L上并且该端点是S的两个端点中水平位置较大的点，则计数变量count加1，否则判断S是否与L相交，如是，则计数变量count加1；步骤5.5：判断射线L是否已遍历机器人所在单元的每一条S，如是，进行下一步，否则进行步骤5.3；步骤5.6：若count的值为偶数，则目标点不在机器人所在的单元内，反之，目标点在机器人所在的单元内。优选地，所述连线的两个端点坐标为(x1,y1)和(x2,y2)，当前机器人所在的单元的边S的端点坐标为(x3,y3)和(x4,y4)，所述连线与当前机器人所在的单元的交点为(xb,yb)，本专利技术提供了一种优化的基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，通过将目标点具象化为若干的坐标点，由这些目标点来描述目标配置，通过匈牙利算法在此基础上分配机器人和目标点之间的对应关系，当机器人与目标点之间的对应关系确定后，分别做机器人与其对应目标点之间的连线，相应地这条直线会与每个机器人所在的单元有一个交点或目标点已经位于单元内，如有交点，则这个交点将被作为该机器人下一次运动的目标点，否则直接移动到目标点，如此迭代，使得每个机器人都运动到目标位置。本专利技术所实现的路径规划方法在时间消耗、方案适用性以及路径长度上均有很大程度的提升，目标配置精度高，“死锁”概率小，节约时间，减少能源消耗。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细描述，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术涉及一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，所述方法包括以下步骤。步骤1：得到目标配置，基于目标配置确认所有目标点的坐标位置、所有机器人的初始位置及可活动区域。本专利技术中，目标配置包括由群组机器人组成的各种形状，如十字型、直线型、H型。步骤2：若当前所有机器人到达各自对应目标点的坐标位置处，则算法结束，否则，进行下一步。步骤3：采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点。所述步骤3中，采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点包括以下步骤。步骤3.1：建立资源分配的效益矩阵Z0，Z0为n*n的矩阵。步骤3.2：将Z0以行为单位，每行减去当前行中最小的元素，得到Z1，Z1中每行均有至少一个0元素；步骤3.3：将Z1以列为单位，每列减去当前列中最小的元素，得到Z2，Z2中每列均有至少一个0元素；步骤3.4：针对Z2，从单个0元素的行或列开始，将其中的0元素变为Θ，将这个0元素所在列或行的其它0元素置为Φ，重复，直到处理完所有列或行的单个0元素。本专利技术中，步骤3.4的重复是指重复从单个0元素的行或列开始，将其中的0元素变为Θ，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：得到目标配置，基于目标配置确认所有目标点的坐标位置、所有机器人的初始位置及可活动区域；步骤2：若当前所有机器人到达各自对应目标点的坐标位置处，则算法结束，否则，进行下一步；步骤3：采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点；步骤4：根据当前所有机器人的所在位置，在可活动区域内生成Voronoi图；步骤5：判断每个目标点是否在对应机器人所在的单元内，如是，则直接将机器人移动到目标点，否则，获得当前机器人到对应目标点的连线，取连线与当前机器人所在的单元的交点，将当前机器人移动到所述交点；当所有机器人移动完后，返回到步骤2。

【技术特征摘要】
1.一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：得到目标配置，基于目标配置确认所有目标点的坐标位置、所有机器人的初始位置及可活动区域；步骤2：若当前所有机器人到达各自对应目标点的坐标位置处，则算法结束，否则，进行下一步；步骤3：采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点；步骤4：根据当前所有机器人的所在位置，在可活动区域内生成Voronoi图；步骤5：判断每个目标点是否在对应机器人所在的单元内，如是，则直接将机器人移动到目标点，否则，获得当前机器人到对应目标点的连线，取连线与当前机器人所在的单元的交点，将当前机器人移动到所述交点；当所有机器人移动完后，返回到步骤2。2.根据权利要求1所述的一种基于Voronoi图的群组机器人自组装路径规划方法，其特征在于：所述步骤3中，采用匈牙利算法为每个机器人分配目标点包括以下步骤：步骤3.1：建立资源分配的效益矩阵Z0，Z0为n*n的矩阵；步骤3.2：将Z0以行为单位，每行减去当前行中最小的元素，得到Z1，Z1中每行均有至少一个0元素；步骤3.3：将Z1以列为单位，每列减去当前列中最小的元素，得到Z2，Z2中每列均有至少一个0元素；步骤3.4：针对Z2，从单个0元素的行或列开始，将其中的0元素变为Θ，将这个0元素所在列或行的其它0元素置为Φ，重复，直到处理完所有列或行的单个0元素；步骤3.5：判断Z2中是否还存在0元素，若否，进行下一步，否则，从剩余的0元素最少的行开始，如果0元素不止一个，将标志位Flag置为1并随机取其中的一个0元素置为Θ，然后将同行同列的其它0元素置为Φ，重复步骤3.5；步骤3.6：若Θ元素的数目m与n相等，则将所有Θ元素所在位置的元素置为1，其他位置的元素置为0，记为指派矩阵X，进行步骤4；否则，进行下一步；步骤3.7：记录没有Θ元素的行的行坐标，记为集合M，记录M的行中含有Φ元素的列的列坐标，记为集合N，记录集合N包含的列中Θ元素的所在行的行坐标，记录于集合M中，重复，直到满足条件的行坐标和列坐标全部收录于集合M或集合N中；步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：简琤峰，卢涛，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33