基于领航者切换的多机器人编队续航方法技术

本公开提供了一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：多个机器人形成编队与地面基站建立通信；判断当前编队的领航者机器人的电量是否满足所要完成领航者切换任务的最低电量要求，如果不满足则结束编队任务，如果满足则继续执行；每个机器人基于当前的电量根据性能函数实时更新电量信息并传送至领航者机器人；领航者机器人选择性能函数中的最优信息，判断性能函数是否满足阈值条件，不满足阈值条件返回循环，满足阈值条件则选择提供最优信息的跟随者机器人作为待替换的领航者机器人；最后进行领航者机器人的替换。本公开充分利用编队中所有机器人的续航能力，提高了编队整体的续航时间。

【技术实现步骤摘要】
基于领航者切换的多机器人编队续航方法
本公开涉及机器人编队续航领域，尤其涉及一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法。
技术介绍
现代社会仍有许多极限或危险环境不适宜人类活动，如台风地震过后的搜救，军事上的排雷及侦查等。在这些场合，如果能利用单个或多个机器人去代替人来完成任务，不仅能减少人员伤亡，也能有效提高效率。多机器人的编队控制是多个移动机器人在到达目的过程中，能够收敛于某种期望的队形，保持相对位置同时适应周围环境的约束。近年来，随着越来越多研究的深入，许多编队控制算法被提出并应用到编队控制中，最典型的就是领航者-跟随者方法。领航者-跟随者方法的基本思想是在多个机器人系统中选择一个机器人作为领航者，其他机器人作为跟随者，其控制过程使跟随者以预期队形跟随领航者运动。这种方法可以实现分布式编队控制，但同时也带来了一些新的问题，比如续航问题。领航者在运动过程中，对传感器的使用次数以及通信频率都比普通跟随者高，因此更容易出现续航问题，如何提高多机器人编队的续航问题也是当前的研究热点之一。现有的编队方法大多考虑达到一致性或提高系统的稳定性，电量管理调度问题较少涉及。在考虑领航者切换的问题时，也较少考虑到避免碰撞的情况。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：步骤A：多个机器人形成编队并与地面基站建立通信，所述编队中包括一个领航者机器人和多个跟随者机器人；步骤B：判断当前编队的领航者机器人的电量是否满足所要完成领航者切换任务的最低电量要求，如果不满足则结束编队任务，如果满足则继续执行；步骤C：每个机器人基于当前的电量根据性能函数实时更新电量信息；步骤D：每个跟随机器人将更新的性能函数传送至领航者机器人；步骤E：领航者机器人自获得跟随者机器人传送的性能函数中选择最优信息，判断提供最优信息的跟随者机器人的性能函数是否满足阈值条件，不满足阈值条件返回步骤B，满足阈值条件则选择提供最优信息的跟随者机器人作为待替换的领航者机器人；步骤F：进行领航者机器人的替换。在本公开的一些实施例中，步骤A中形成编队的多个机器人，领航者机器人作为根节点，跟随者机器人依次作为领航者机器人的子节点，作为子节点的跟随者机器人同时还作为其相邻子节点的父节点；通信在相邻节点间进行。在本公开的一些实施例中，所述步骤A中还包括：在编队移动过程中，每个机器人通过定位系统获取自己的位置信息，并通过通信获取相邻机器人的信息；进行一致性计算保证编队稳定，所述一致性计算如下：ri＝(xi，yi，θi)其中，ri为编队中机器人i的当前位置；为编队中机器人i的当前速度；rid为编队中机器人i相对于参考系的目标位置；为编队中机器人i的期望速度；αi为比例系数；aij为邻接矩阵系数，当j-＞i时，aij＞0，否则aij＝0。在本公开的一些实施例中，所述步骤C包括：子步骤C1：计算领航者机器人的电量消耗为Vol(0)＝Vol(0)-αt其中，α为比例系数。子步骤C2：根据子步骤C1提供的领航者机器人的电量消耗，计算跟随者机器人的电量消耗为Vol(i)＝Vol(i)-αβt其中0＜β＜1，代表跟随者机器人与领航者机器人的耗电比；子步骤C3：基于子步骤C1和子步骤C2，根据性能函数更新电量信息，性能函数为：其中，Vi表示第i个跟随者机器人的移动速度，dist(0，i)表示第i个跟随者机器人与当前领航者机器人的欧式距离，obst(0，i)是指从第i个跟随者机器人移动到领航者机器人所预估的避障代价；γ为比例系数。在本公开的一些实施例中，所述步骤D包括：子步骤D1：作为子节点的跟随者机器人将各自的性能函数数据传送至与其相邻的作为父节点的跟随者机器人；子步骤D2：所述子步骤D1中作为父节点的跟随者机器人将收集到的性能函数数据和自身性能函数数据进行比较；子步骤D3：根据执行目标定义最优值，记录最优值并顺次向相邻的父节点跟随者机器人传送，直至将数据传送至领航者机器人为止。在本公开的一些实施例中，所述步骤E中的所述阈值条件为：f(0)＜λ*max*(f(i))，i＝1，2，...，n其中，f(0)为领航者机器人的性能函数；max*(f(i))为跟随者机器人中性能函数的最优值；λ为系数。在本公开的一些实施例中，所述步骤F包括：步骤F1：在领航者机器人的位置和用于替换领航者机器人的跟随者机器人的位置，创建一个虚拟领航者和虚拟跟随者；步骤F2：虚拟领航者/虚拟跟随者按照被创建时领航者机器人/跟随者机器人的速度和姿态信息向相邻跟随者机器人发送信息，被替换领航者机器人运动目标为虚拟跟随者所在位置；步骤F3：选择的下一领航者机器人的目标位置为虚拟领航者所在位置。在本公开的一些实施例中，所述系数λ根据仿真实验定义。在本公开的一些实施例中，所述步骤C中还包括：将实时更新的电量信息进行广播。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于领航者切换的多机器人编队续航方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)本公开充分利用编队中所有机器人的续航能力，提高了编队整体的续航时间。(2)本公开在挑选下一领航者的过程中充分考虑了距离及避障因素，提高了切换领航者的效率和可行性。(3)本公开在切换领航者过程中，通过创建虚拟领航者及虚拟跟随者的方法，保证了编队的稳定性。附图说明图1为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法流程框图。图2为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法编队示例图。图3为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法领航者切换示意图。图4为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法实验结果对比图。具体实施方式本公开提供了一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：多个机器人形成编队与地面基站建立通信；判断当前编队的领航者机器人的电量是否满足所要完成领航者切换任务的最低电量要求，如果不满足则结束编队任务，如果满足则继续执行；每个机器人基于当前的电量根据性能函数实时更新电量信息并传送至领航者机器人；领航者机器人选择性能函数中的最优信息，判断性能函数是否满足阈值条件，不满足阈值条件返回循环，满足阈值条件则选择提供最优信息的跟随者机器人作为待替换的领航者机器人；最后进行领航者机器人的替换。本公开充分利用编队中所有机器人的续航能力，提高了编队整体的续航时间。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法。图1为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法流程框图。如图1所示，本公开图1为本公开实施例多基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：步骤A：多个机器人形成编队与地面基站建立通信，在所述编队移动过程中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：步骤A：多个机器人形成编队并与地面基站建立通信，所述编队中包括一个领航者机器人和多个跟随者机器人；步骤B：判断当前编队的领航者机器人的电量是否满足所要完成领航者切换任务的最低电量要求，如果不满足则结束编队任务，如果满足则继续执行；步骤C：每个机器人基于当前的电量根据性能函数实时更新电量信息；步骤D：每个跟随机器人将更新的性能函数传送至领航者机器人；步骤E：领航者机器人自获得跟随者机器人传送的性能函数中选择最优信息，判断提供最优信息的跟随者机器人的性能函数是否满足阈值条件，不满足阈值条件返回步骤B，满足阈值条件则选择提供最优信息的跟随者机器人作为待替换的领航者机器人；步骤F：进行领航者机器人的替换。

【技术特征摘要】
1.一种基于领航者切换的多机器人编队续航方法，包括：步骤A：多个机器人形成编队并与地面基站建立通信，所述编队中包括一个领航者机器人和多个跟随者机器人；步骤B：判断当前编队的领航者机器人的电量是否满足所要完成领航者切换任务的最低电量要求，如果不满足则结束编队任务，如果满足则继续执行；步骤C：每个机器人基于当前的电量根据性能函数实时更新电量信息；步骤D：每个跟随机器人将更新的性能函数传送至领航者机器人；步骤E：领航者机器人自获得跟随者机器人传送的性能函数中选择最优信息，判断提供最优信息的跟随者机器人的性能函数是否满足阈值条件，不满足阈值条件返回步骤B，满足阈值条件则选择提供最优信息的跟随者机器人作为待替换的领航者机器人；步骤F：进行领航者机器人的替换。2.根据权利要求1所述的多机器人编队续航方法，其中，步骤A中形成编队的多个机器人，领航者机器人作为根节点，跟随者机器人依次作为领航者机器人的子节点，作为子节点的跟随者机器人同时还作为其相邻子节点的父节点；通信在相邻节点间进行。3.根据权利要求1所述的多机器人编队续航方法，其中，所述步骤A中还包括：在编队移动过程中，每个机器人通过定位系统获取自己的位置信息，并通过通信获取相邻机器人的信息；进行一致性计算保证编队稳定，所述一致性计算如下：ri＝(xi，yi，θi)其中，ri为编队中机器人i的当前位置；为编队中机器人i的当前速度；rid为编队中机器人i相对于参考系的目标位置；为编队中机器人i的期望速度；αi为比例系数；aij为邻接矩阵系数，当j-＞i时，aij＞0，否则aij＝0。4.根据权利要求1所述的多机器人编队续航方法，其中，所述步骤C包括：子步骤C1：计算领航者机器人的电量消耗为Vol(0)＝Vol(0)-αt其中，α为比例系数。子步骤C2：根据子步骤C1提供的领航者机器人的电量消耗，计算跟随者机器人的电量消耗为...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦家虎，陈宇航，王帅，高炤，林奕爽，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34