一种通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法技术

一种工作在通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法，其属于多机器人协同控制技术领域。该方法以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，使用A*算法进行单机器人路径规划；然后在全局地图中根据机器人的位置信息及占位信息，建立与栅格地图尺寸一致的、可以动态更新的通道状态表；接着对于路径规划层生成的路径，再判断是否存在局部环路；最后结合通道状态表中相关栅格的占用状态，判断局部环路优化的条件是否成立，成立则将优化后的路径下发给机器人，并更新通道状态表。该方法利用通道状态表，描述机器人之间的相互影响，在实现动态碰撞避免的基础上，对通行方向限制导致的局部环路现象进行分析处理，减小路径代价，提高整体工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法
本专利技术属于多机器人协同控制
，涉及到一种用于通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法。
技术介绍
移动机器人在智能制造与智慧仓库领域有着广泛的应用前景。在传统的单移动机器人控制系统中，主要需要解决路径规划、定位与导航、静态障碍物的碰撞避免等问题，现在已经较为成熟。随着应用场景的复杂化，单个机器人的功能十分有限，不能满足复杂多变的场景，因此，多机器人协同的应用需求被广泛提出，然而，多机器人协同工作并不是单机器人的简单叠加，需要面临很多新的问题。多个机器人工作在同一空间中，如果没有合适的协同调度策略与控制方法，则不可避免的会出现碰撞、死锁与拥堵等问题，严重影响整个系统的正常工作，大幅降低工作效率。协同路径规划是多机器人协同控制的关键问题之一，其基本目标是实现机器人之间动态碰撞的避免，在此基础上根据路径长度、平滑度与安全性这三个公认的路径质量评价标准，进行协同路径优化。针对多机器人可能出现的碰撞问题，许多研究者使用集中控制的方法，通过协同路径规划消除可能出现的冲突。NazarahariM等人[NazarahariM,KhanmirzaE,DoostieS.Multi-objectivemulti-robotpathplanningincontinuousenvironmentusinganenhancedgeneticalgorithm.ExpertSystemswithApplications,2019，115,106-120.]定义复合目标函数，将移动机器人之间的距离用作避免碰撞的标准，在遗传算法中引入碰撞消除算子，以消除路径之间可能的碰撞，该方法仅在理想状态下调整路径交叉点的位置，不适用于机器人数目较多的场景。FanZY等人[FanZY,GuCL,YinX,LiuCY,HuangHJ.TimeWindowBasedPathPlanningofMulti-AGVsinLogisticsCenter.InternationalSymposiumonComputationalIntelligenceandDesign,2017,2,161-166]使用基于时间窗的方法，首先生成一组潜在的候选路径，然后按时间窗口搜索算法计算每个候选路径的时间表路径，选择最佳路径进行预约，保留候选路径后，路径上每个区块的可传递时间窗口不能同时被其他车辆占用，该方法适应于大规模栅格场景，但严重依赖于时间窗的准确性，同时，也没有对绕行情况进行优化，路径代价较大。
技术实现思路
本专利技术的目的是在单行进方向单通道的巷道通行方式下，完成多机器人动态碰撞避免，并为局部环路现象提供一种路径优化策略，减小路径代价。该方法主要是在多机器人控制中心维持一张通道状态表，在路径规划时对通行方向限制导致的局部环路现象进行判断，一旦发现局部环路存在，则根据通道状态表的数据记录对路径进行优化，并更新通道状态表，从而产生低路径代价的最优策略。本专利技术的技术方案是：首先，根据机器人上报的位置信息与占位状态建立动态更新的通道状态表；其次，对路径规划时由于通行方向限制导致的局部环路现象进行判断，结合通道状态表对局部环路优化进行可行性分析；最后，生成优化路径下发给机器人，并更新通道状态表。多机器人协同路径规划的具体步骤如下：一种用于通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法，其特征是：首先，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，使用A*算法进行单机器人路径规划；其次，建立可以动态更新的通道状态表，根据通道状态表与机器人综合优先级的判定方法，完成动态碰撞的避免；最后，判断是否存在由于通行方向限制导致的、有优化可能的局部环路现象，存在则判断局部环路优化的条件是否成立，生成优化后的路径并更新通道状态表；该方法的具体步骤如下：步骤1.单机器人路径规划，即使用A*算法，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，进行单机器人路径规划；以A*算法作为单机器人路径规划基本方法，在基于Manhattan距离的估价函数中添加转弯代价：其中，(xpre，ypre)为路径规划过程中的当前节点坐标，(xg，yg)为目标节点坐标，Vn为每次转弯需要耗费的额外转弯代价；在单行进方向单通道的栅格地图中，每两个相邻的路口栅格之间路径是唯一的，故将A*算法的搜索区域从全部栅格缩小至路口栅格；使用A*算法，生成路口序列后，再按照通行方向的限制，将非路口栅格插入路口序列中，得到从起点栅格到终点栅格的完整路径，完成单机器人路径规划；步骤2.建立通道状态表，即根据全局地图信息，结合机器人上报的位置信息及占位信息，建立动态更新的通道状态表；通道状态表是一个大小尺寸与栅格地图完全相同的二维表格，其元素与栅格地图的路口栅格一一对应；通道状态表中的每个元素需要记录应以下两个字段：(1)栅格的当前状态根据动态碰撞避免的需要，将栅格的当前状态分为三类，分别为空闲、被预约与被占用；其中，空闲栅格代表当前既没有被任何机器人占用，也没有被预约的栅格；(2)预约或占用栅格的机器人的信息对于被预约或者被占用的栅格，需要通过与机器人的通信，记录预约或占用当前栅格的机器人的信息；信息包括机器人唯一的身份标识ID，机器人的剩余电量、是否载货、所装载货物的优先级、执行当前任务的累计等待时间；步骤3.局部环路判断，即对于每一个路径规划层生成的路径，根据局部环路判断条件，判断是否存在由于通行方向限制导致的、有优化可能的局部环路现象；机器人按照单机器人路径规划阶段规划好的路径行进时，进入栅格之前需要查看预约表中栅格的状态，若为空闲，则将栅格状态置为被预约，可以行进；若为被预约，则比较自身的优先级与已经预约该栅格的机器人的优先级，自身优先级较高则可以对栅格进行抢占，否则原地等待，直到解除占用；若为被占用则原地等待，直到栅格空闲；综合优先级PS按以下规则判定：首先，若剩余电量Epre小于电量安全阈值Esafe，则将电量优先级p1设为最高Vmax，剩余电量在安全范围内的机器人，将电量优先级p1设为0；其次，根据货物装载情况判定优先级，载货机器人优先级Vα高于未载货的机器人的优先级Vβ；最后，载货状况相同，则由货物的优先级pg与当前任务的累计等待时间tw决定，pgmax为货物最大优先级，twmax为执行任务的最大累计等待时间；Vmax＞Vα＞Vβ＞2(5)PS＝w1p1+w2p2+w3p3(6)w1+w2+w3＝1(7)w1、w2与w3分别为优先级的权重系数，且三个权重系数取相同值；步骤4.局部环路优化可行性分析，即对在步骤3中判断出的局部环路现象，结合通道状态表中相关栅格的当前状态与预约或占用栅格的机器人的综合优先级，判断局部环路优化的条件是否成立；在起点处与终点路口处分别对局部环路进行判断：在起点处，根据已经使用A*算法规划好的原始路径进行判断，原始路径同时满足式(10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法，其特征是：首先，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，使用A*算法进行单机器人路径规划；其次，建立可以动态更新的通道状态表，根据通道状态表与机器人综合优先级的判定方法，完成动态碰撞的避免；最后，判断是否存在由于通行方向限制导致的、有优化可能的局部环路现象，存在则判断局部环路优化的条件是否成立，生成优化后的路径并更新通道状态表；该方法的具体步骤如下：/n步骤1.单机器人路径规划，即使用A*算法，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，进行单机器人路径规划；/n以A*算法作为单机器人路径规划基本方法，在基于Manhattan距离的估价函数中添加转弯代价：/n

【技术特征摘要】
1.一种用于通行方向限制下的多机器人协同路径规划方法，其特征是：首先，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，使用A*算法进行单机器人路径规划；其次，建立可以动态更新的通道状态表，根据通道状态表与机器人综合优先级的判定方法，完成动态碰撞的避免；最后，判断是否存在由于通行方向限制导致的、有优化可能的局部环路现象，存在则判断局部环路优化的条件是否成立，生成优化后的路径并更新通道状态表；该方法的具体步骤如下：
步骤1.单机器人路径规划，即使用A*算法，以路径长度与路径平滑度作为路径评价标准，进行单机器人路径规划；
以A*算法作为单机器人路径规划基本方法，在基于Manhattan距离的估价函数中添加转弯代价：



其中，(xpre，ypre)为路径规划过程中的当前节点坐标，(xg，yg)为目标节点坐标，Vn为每次转弯需要耗费的额外转弯代价；
在单行进方向单通道的栅格地图中，每两个相邻的路口栅格之间路径是唯一的，故将A*算法的搜索区域从全部栅格缩小至路口栅格；使用A*算法，生成路口序列后，再按照通行方向的限制，将非路口栅格插入路口序列中，得到从起点栅格到终点栅格的完整路径，完成单机器人路径规划；
步骤2.建立通道状态表，即根据全局地图信息，结合机器人上报的位置信息及占位信息，建立动态更新的通道状态表；
通道状态表是一个大小尺寸与栅格地图完全相同的二维表格，其元素与栅格地图的路口栅格一一对应；通道状态表中的每个元素需要记录应以下两个字段：
(1)栅格的当前状态
根据动态碰撞避免的需要，将栅格的当前状态分为三类，分别为空闲、被预约与被占用；其中，空闲栅格代表当前既没有被任何机器人占用，也没有被预约的栅格；
(2)预约或占用栅格的机器人的信息
对于被预约或者被占用的栅格，需要通过与机器人的通信，记录预约或占用当前栅格的机器人的信息；信息包括机器人唯一的身份标识ID，机器人的剩余电量、是否载货、所装载货物的优先级、执行当前任务的累计等待时间；
步骤3.局部环路判断，即对于每一个路径规划层生成的路径，根据局部环路判断条件，判断是否存在由于通行方向限制导致的、有优化可能的局部环路现象；
机器人按照单机器人路径规划阶段规划好的路径行进时，进入栅格之前需要查看预约表中栅格的状态，若为空闲，则将栅格状态置为被预约，可以行进；若为被预约，则比较自身的优先级与已经预约该栅格的机器人的优先级，自身优先级较高则可以对栅格进行抢占，否则原地等待，直到解除占用；若为被占用则原地等待，直到栅格空闲；
综合优先级PS按以下规则判定：
首先，若剩余电量Epre小于电量安全阈值Esafe，则将电量优先级p1设为最高Vmax，剩...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁男，王守灿，夏卫国，吴迪，孙希明，刘婵娟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21