一种通信受限的多机器人协作探索方法技术

本发明专利技术公开了一种通信受限条件下的多机器人协作探索方法，考虑了现实世界中的通信网络的限制，尤其在探索决策部分和已探索区域信息的高效表示部分对通信限制进行针对性设计。机器人将间歇地回到约定的地点，结束上一次任务并进行下一次任务分配，且该方法并不依赖于额外的中心基站。同时提出基于星凸的已探索区域表征方法，在保证空间表示的精确性的同时大大降低所需通信带宽。大降低所需通信带宽。大降低所需通信带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种通信受限的多机器人协作探索方法


[0001]本专利技术涉及机器人通信
，具体涉及一种通信受限的多机器人协作探索方法。

技术介绍

[0002]当前，机器人探索系统在矿业勘探、应急救灾、农业监测、地理测绘等领域广泛应用。而面对愈加复杂和大规模的任务，多机器人协作探索具有对比单个机器人更强大的性能，更好的容错性和更小的不确定性。多机器人有很强的信息共享需求，然而在现实世界中，尤其是大范围环境中，通常不具备全局通信保障，且大量传感器数据可能超过通信网络容量。
[0003]结合Burgard、Andre等人发表在机器人顶级期刊上的研究，可以总结出多机器人协作探索方法一般有如图1所示流程，多机器人系统中共有N个机器人(N≥2)，每个机器人都会用自身传感器感知环境，收集环境信息进行环境建图，并从建图信息中提取前沿信息和已探索空间信息。前沿信息指已知无障碍空间和未知空间的分界，将当前空间中存在的前沿位置设置为机器人的目标即可驱动机器人探索未知环境。机器人通过通信网络互相连接并共享信息，通常所有互相连接的机器人会从中选择一个作为主持者，整合所有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通信受限条件下的多机器人协作探索方法，其特征在于，每个机器人均有一个用于储存环境信息的环境信息库并有两个规划器，两个规划器分别为独立规划器和联合规划器；各机器人启动时聚集在一起，互相之间均可通信，此时处于联合集会阶段；在联合集会阶段，触发各个机器人的联合规划器进行规划，机器人将选出一个主持者，并将自己的环境信息库中的所有信息上传给主持者，主持者在进行信息整合后进行任务分配，向每个机器人分配需要访问的目标点和最终约定的进行下一次集会的地点和时间；至此联合集会阶段结束，各机器人将主动断开连接，进入独立探索阶段；在独立探索阶段，各机器人触发独立规划器进行规划，通过传感器收集新的环境信息，生成新的无障碍空间和前沿信息并对旧的环境信息进行更新，然后以被分配的目标点和最终需要到达的集会地点和时间作为限制进行独立规划，生成新的目标序列；在约定的集会时间各机器人到达约定的联合集会地点进行环境数据共享，再次从独立探索阶段进入联合规划阶段。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将每次独立规划器被触发时生成的所有环境数据称为一帧数据，所述独立规划器的规划过程为：步骤A1、采样障碍物点：对障碍物点进行采样，生成用于生成星凸的点集S
star
；用于生成星凸的点集S
star
需要包含两部分：当前观测到的障碍物点S
obs
和传感器最大观测半径上的采样点集S
free
；步骤A1.1、生成障碍物点云S
obs
：在融合多帧传感器数据生成的局部占用栅格地图中采样，生成在当前机器人位置能够观察到的障碍物点云S
obs
；以当前机器人位置P
r
为柱坐标系原点，在多个半径下进行不同密度采样，其中n表示采用的不同半径的数量，R
senor
为传感器最大感知半径；对于每个采样点P
s
，从P
r
为起点，向方向进行光线投影，如果在投影过程中和障碍物碰撞，记碰撞点为P
hit
，则将P
hit
加入S
obs
集合；步骤A1.2、生成最大观测区域点云S
free
：在步骤A1.1进行柱坐标系采样时，当采样半径r＝R
senor
且光线投影未与障碍物发生碰撞时，将该采样点P
s
加入S
free
点集；步骤A2、星凸生成：利用步骤A1生成的点集，构成用于生成星凸的点集S
star
＝S
obs
∪S
free
，并利用HPR方法计算星凸；将当前帧的星凸S
k
和当前机器人位置R
k
记录到环境信息库中；记第k帧的星凸为S
k
，则当前机器人已探索的无障碍空间表示为S1∪S2∪...∪S
N
，其中N是当前机器人的环境信息中记录的空间星凸数量；步骤A3、前沿面元更新：由于采用星凸来表示已知无障碍区域，那么组成星凸的面元即是已知无障碍区域的边界，只要除去完全由障碍物生成的星凸面元，剩下的面元就是已知无障碍空间与未知空间的分界，称其为前沿面元；步骤A3.1、当前帧前沿面元生成：对所有面元进行判断，如果该面元满足以下任意一个条件，该面元不是前沿面元：a.该面元的所有顶点均属于S
obs
；b.该面元的面积小于最小有效面积阈值η
area
；c.该面元的法向量z轴分量的绝对值大于z轴分量阈值z
thr
；筛选完当前帧星凸的所有面元后将得到当前帧的前沿面元集合F
k
；步骤A3.2、前沿面元的帧间更新：假设当前帧为第k帧，此步骤将完成两方面更新：(1)删除处于之前帧星凸{S1，S2，...，S
k
‑1}中的当前帧的前沿面元，更新F
k
；(2)删除处于当前帧
星凸S
k
中的之前帧的前沿面元，更新{F1，F2，...，F
k
‑1}；步骤A4、前沿面元聚类：对前沿面元进行聚类，并对每个前沿聚类生成一个对应的视点，将距离较近的视点融合为一个超级视点。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A1.1的采样过程对于障碍物密度是自适应的，对于相邻的两个采样点P
i
，P
j
，将在P
i
，P
j
采样的中间角度继续递归地采样，直到如下条件满足其一：||P
i
‑
P
j
||＜D
thr
。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A3.2中，对每个星凸建立一个面元表，利用该面元表查询一个面元是否处于一个星凸中；1)面元表的建立过程如下：1.1)建立面元表的对象：将星凸S
i
的所有面元投影到一个栅格化的单位球上，该单位球上的每个格子记为g
i，j
；对于一个被投影的面元f
i
，可以得到其在单位球上的轴向边界矩形，将处于该B
i
中的所有格子记为G
B
＝{g
i，j
|g
i，j
∈B
i
}；1.2)将G
B
中的格子和f
i
的对应关系记录到面元表中；最终栅格化的单位球上的每个格子将对应一个或多个面元；(2)使用面元表快速查询过程如下：对于待查询的面元f
i
和星凸S
j
，先将f
i
的中心投影到以星凸S
j
对应的机器人位置R
j
为球心的栅格单位球上，投影点落到g
i，j
格子中，在S
j
的面元表中查询g
i，j
对应的面元{f
′
j
|j∈{1，2，...，J}}，共J个；查询到的每个面元f
′
j
的三个顶点与R
j
连接形成一个三棱锥，共形成J个三棱锥，如果f
i
的中心在其中一个三棱锥中，就判断为f
i
在星凸S
j
中。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A4的具体过程为：步骤A4.1、前沿面元谱聚类：进行谱聚类需要先构建两个矩阵：度矩阵D和相似矩阵S；对于度矩阵D，将所有面元与其k个欧氏距离最近的邻居连接起来，形成一个图，计算该图的度矩阵作为D；对于相似矩阵S按下式进行计算：s＝(exp(
‑
s(f
i
，f
j
)2/2σ2))
i，j＝1
…
J
其中，s(f
i

【专利技术属性】
技术研发人员：高飞，高钰满，许超，
申请(专利权)人：湖州快飞智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：