群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法技术

本发明专利技术公开一种群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，属于消防技术领域，包括：获取与其前方距离最近消防机器人的相对距离和相对角度；基述相对距离和相对角度，计算距离误差和角度误差；基于约束条件、距离误差和角度误差，建立距离性能函数和角度性能函数；通过距离控制增益，调节距离误差与距离性能函数之间的差值，得到速度控制信号；通过角度控制增益，调节角度误差与角度性能函数之间的差值，得到转向角控制信号；基于速度控制信号和转向角控制信号，控制机器人自身行驶。本发明专利技术针对链式结构编队跟随任务，设置分布式控制方式，无需进行队形变化就能够一直保持队形，能快速到达火灾现场，节省行走时间和能耗。能耗。能耗。

【技术实现步骤摘要】
群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法


[0001]本专利技术涉及消防机器人
，具体涉及一种群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法。

技术介绍

[0002]对于消防机器人的研发历经了大致三个阶段，同时也形成了三代不同的消防机器人。第一个阶段主要依靠远程操作控制系统，在此基础上形成的消防机器人叫做程序控制型消防机器人，这也是世界上第一代消防机器人。在第二个阶段中，主要通过传感器来开发其性能，这一阶段的消防机器人被称为功能型消防机器人，也是世界上第二代消防机器人。在第三个阶段中，消防机器人的研究方向开始向智能化、协同化靠近，消防机器人不再单单局限于某种功能，而是更全面的智能化功能，这一阶段形成的消防机器人被称为智能型、协同型消防机器人，这也是世界上第三代消防机器人。
[0003]未来消防机器人的研发将重点瞄准由单一功能的灭火机器人、火场侦察机器人向多种功能组合的消防机器人发展。控制方式从有线、无线的远距离程序控制，逐步向智能型群组型、协作型消防机器人发展。交互方式可先从简单的传感器交互着手，逐步融入语音交互、动作交互、姿势交互、语义交互等交互模式，为下一步达成各机器人之间的协同作战，实现“无人化”救援现场提供可能。
[0004]目前，传统无人系统技术存在着自主性低、协调性差等问题，无法有效解决协同内部时间、空间和任务层面上的矛盾，难以实现复杂环境下的消防任务。面向强干扰、高动态等复杂火灾环境下的消防需求，为实现无人系统的任务能力扩展以及整体消防效能提升，采取多智能体协同作业的模式，实现能力互补和行动协调，已成为未来消防应用的主要发展方向。
[0005]相关技术中，公布号为CN110101996A的中国专利技术专利文献记载了一种复杂环境下消防机器人协同定位与自主作业方法，以及公布号为CN110201333A的中国专利技术专利文献记载了一种消防机器人全自动协同侦察和灭火作业方法，等等，这些方案所采用的这种集中式控制需要一个主控单元即主操控台，所有的运算都在主控单元进行，机器人必须通过主控单元下发指令才能执行相应操作，容易造成主控单元运算量负荷、实时性大打折扣，且队形呈分散状，不易控制，导致消防机器人行走至火灾现场所需时间和能耗较高，不利于及时遏制火情。
[0006]相关技术中，公布号为CN112286179A的中国专利技术专利文献记载了一种协同运动控制方法、系统、计算机设备、机器人，该方案在机器人控制中采用实时分布式的控制方式，具体机器人的控制算法为模型预测控制加数学规划方法，研究在静态环境下机器人群组队形保持优先或速度优先的控制策略，以及在动态环境中，保证多机器人成功避障的前提下，尽可能的维持原来队形的控制策略。
[0007]由于火灾现场具有高动态非结构特征，浓烟环境和障碍物会阻碍机器人之间通讯和视野，尤其考虑水带拖拽过程中，防止水带和水带之间、水带和障碍物之间发生交叉缠绕
问题。另外，水带充水状态其负载很大，对机器人的运动控制和稳定性影响很大，而传统的编队协同控制算法都未考虑这些因素，需针对特定条件和因素采取对应的协同控制算法。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于如何控制消防机器人快速到达火灾现场，节省行走时间和能耗。
[0009]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0010]本专利技术提出了一种群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，所述消防机器人包括巡检机器人和灭火机器人，消防机器人组成的队列呈链式结构，且巡检机器人位于队头，灭火机器人跟随在巡检机器人之后，每台消防机器人装载有激光雷达和摄像机，对于每台所述消防机器人，所述方法包括以下步骤：
[0011]获取与其前方距离最近消防机器人的相对距离和相对角度；
[0012]基于所述相对距离和相对角度，计算距离误差和角度误差；
[0013]基于约束条件、所述距离误差和所述角度误差，建立距离性能函数和角度性能函数；
[0014]通过距离控制增益，调节所述距离误差与所述距离性能函数之间的差值，得到速度控制信号；
[0015]通过角度控制增益，调节所述角度误差与所述角度性能函数之间的差值，得到转向角控制信号；
[0016]基于所述速度控制信号和所述转向角控制信号，控制机器人自身行驶。
[0017]本专利技术针对链式结构编队跟随任务，设置分布式控制方式，仅仅利用了机器人的局部信息进行交互，在每个车体的局部坐标系下得到前方机器人的距离和角度值以及障碍物的距离，根据机器人距离误差和距离性能函数之间的差值通过距离控制增益调节，使得距离误差能够保证在距离性能函数的上限和下限范围内；同样，根据机器人角度误差和角度性能函数之间的差值通过角度控制增益调节，使得角度误差能够保证在角度性能函数的上限和下限范围内；以得到相应的速度和转向角来控制车体运动和转向，从而保证每台车都能跟踪上前方车辆，无需进行队形变化就能够一直保持队形，能快速到达火灾现场，节省行走时间和能耗。
[0018]进一步地，所述消防机器人的运动学模型为：
[0019][0020]式中：对于i＝1，...，N，其中，x
i
,y
i
,θ
i
表示第i台机器人的位置和方向；u
i
,γ
i
,α分别表示其线速度、转向角和长度；分别表示x
i
,y
i
,θ
i
的一阶导数。
[0021]进一步地，所述基于所述相对距离和相对角度，计算距离误差和角度误差的公式表示为：
[0022][0023]式中：表示距离误差；表示角度误差；
d
i
(t)和β
i
(t)分别表示两台连续消防机器人之间的相对距离和相对角度；d
i,des
表示事先设定的第i台消防机器人与前方第i
‑
1台消防机器人之间的距离。
[0024]进一步地，所述基于约束条件、所述距离误差和所述角度误差，建立距离性能函数和角度性能函数分别为：
[0025]分别对所述距离误差和所述角度误差进行微分处理，分别得到距离误差动态方程和角度误差动态方程；
[0026]设定约束条件，所述约束条件包括安全约束条件和初始约束条件，其中，所述安全约束条件为d
col
<d
i
(t)<d
con
和|β
i
(t)|<β
con
，所述初始约束条件为和d
con
，β
con
分别表示发生连接中断的距离和角度限制，d
col
表示两个连续机器人之间的最小安全距离，d
i，des
为事先设定的第i台消防机器人与前方第i
‑
1台消防机器人之间的距离；
[0027]基于所述距离误差动态方程、所述角度误差动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，其特征在于，所述消防机器人包括巡检机器人和灭火机器人，消防机器人组成的队列呈链式结构，且巡检机器人位于队头，灭火机器人跟随在巡检机器人之后，每台消防机器人装载有激光雷达和摄像机，对于每台所述消防机器人，所述方法包括以下步骤：获取与其前方距离最近消防机器人的相对距离和相对角度；基于所述相对距离和相对角度，计算距离误差和角度误差；基于约束条件、所述距离误差和所述角度误差，建立距离性能函数和角度性能函数；通过距离控制增益，调节所述距离误差与所述距离性能函数之间的差值，得到速度控制信号；通过角度控制增益，调节所述角度误差与所述角度性能函数之间的差值，得到转向角控制信号；基于所述速度控制信号和所述转向角控制信号，控制机器人自身行驶。2.如权利要求1所述的群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，其特征在于，所述消防机器人的运动学模型为：式中：对于i＝1，...，N，其中，x
i
,y
i
,θ
i
表示第i台机器人的位置和方向；u
i
,γ
i
,α分别表示其线速度、转向角和长度；分别表示x
i
,y
i
,θ
i
的一阶导数。3.如权利要求1所述的群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，其特征在于，所述基于所述相对距离和相对角度，计算距离误差和角度误差的公式表示为：式中：表示距离误差；表示角度误差；d
i
(t)和β
i
(t)分别表示两台连续消防机器人之间的相对距离和相对角度；d
i,des
表示事先设定的第i台消防机器人与前方第i
‑
1台消防机器人之间的距离。4.如权利要求1所述的群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，其特征在于，所述基于约束条件、所述距离误差和所述角度误差，建立距离性能函数和角度性能函数分别为：分别对所述距离误差和所述角度误差进行微分处理，分别得到距离误差动态方程和角度误差动态方程；设定约束条件，所述约束条件包括安全约束条件和初始约束条件，其中，所述安全约束条件为d
col
<d
i
(t)<d
con
和|β
i
(t)|<β
con
，所述初始约束条件为和分别表示发生连接中断的距离和角度限制，d
col
表示两个连续机器人之间的最小安全距离，d
i,des
为事先设定的第i台消防机器人与前方第i
‑
1台消防机器人之间的距离；
基于所述距离误差动态方程、所述角度误差动态方程和所述约束条件，分别建立所述距离性能函数和所述角度性能函数。5.如权利要求4所述的群组式协同消防机器人火场内编组队列行驶控制方法，其特征在于，所述距离性能函数和所述角度性能函数的公式表示如下：式中：式中：分别是预定义的正常数；参数c
u
为由项引起的性能函数的减少，l
d
、l
β
、分别包含所需的瞬态和稳态性能规范；sw1，sw2，sw
1,2
，sw
u
为切换函数；表示左障碍物与领导者和跟随者的连线的最小距离；表示右障碍物与领导者和跟随者的连线的最小距离；u
i
表示线...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文伟，胡鹄，李鹏飞，洪奕谋，汪西文，朱毅，苏建，
申请(专利权)人：安徽对称轴智能安全科技有限公司，
类型：发明
国别省市：