【技术实现步骤摘要】
本申请涉及机器人，特别是涉及一种多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台及方法。
技术介绍
1、近几十年间，多机器人系统，尤其是分布式多机器人系统以其相对于单机器人系统的先天优势而备受关注。得益于没有集中式的控制机制，每台机器人基于本地感知信息和控制器独立运行，相应的工作环境可以更加广阔且动态。正是由于其系统本身及其运行环境的复杂多样性，目前主流的多机器人规划与控制算法测试平台及方法可分为两种，即仿真验证系统与实物验证系统，以上两种平台可支撑部分简单的多机器人算法试验，但仍存在以下不足：
2、1)仿真验证系统算法测试效果不佳，目前已有的算法测试系统多为数值仿真或简化机器人模型(如质点模型)的二维平面仿真，即不构建机器人的运动学模型或动力学模型，同时不考虑机器人的异构特性，环境中的碰撞体积，感知噪声和通信延迟等实际环境中固有的不利因素，是在极度理想化的仿真环境中测试算法的实施效果。导致仿真试验设置与真实环境之间存在较大的差异，算法测试结果无法在实物试验中复现，从而失去进行算法测试的意义。
3、2)实物验证系统仍有一定局限性，首先由于个体体积较大且成本较高，一次试验可用的机器人数量普遍较少，而且对试验场地有着较高的要求，不利于扩展；同时实物机器人的软硬件设计复杂，为保证试验的正常进行，一般需提前进行传感器标定、电机整定等准备工作，导致每次试验耗时较长，不利于进行多次重复实验；另外，试验效果展示度较低，需针对不同算法的应用背景预先设置试验环境，通常是对实验室进行临时改造，任务环境构建困难。
1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种稳定、快速且易操作的多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台及方法。
2、一种多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台，平台包括：若干个底部粘贴有apriltag标记的机器人、试验场景仿真系统以及工作站。
3、试验场景仿真系统包括支持无限多点同时触控的试验场景显示模块，用于显示工作站设计的试验场景图像，模拟试验场景，在仿真过程中根据任务需要增加虚拟障碍物或实物障碍物；还用于获取试验环境信息和机器人运动信息，并将环境信息和机器人信息传送至工作站；试验环境信息包括障碍物的类别、位置、外形尺寸；机器人运动信息包括机器人的位置、朝向、速度以及加速度。
4、工作站，用于根据预设任务基于虚幻引擎设计试验场景图像，并将试验场景图像发送至试验场景显示模块；还用于接收试验环境信息、机器人运动信息以及机器人状态信息，并根据试验环境信息、机器人运动信息、机器人状态信息以及预设控制算法，确定每个机器人的运动控制指令，并将每个运动控制指令发送至对应的机器人。
5、机器人是小型全向移动机器人，用于根据接收的运动控制指令在试验场景显示模块的上表面运动，并将自身的机器人状态信息回传至工作站。
6、在其中一个实施例中，机器人采用双层结构设计，上层包括电池、传感器模组以及通信主板，下层包括轮系、电机模组以及电机驱动板。
7、传感器模组与通信主板连接，通信主板与工作站之间采用wifi进行数据传输，电机模组和电机驱动板连接，电机驱动板与通信主板通过i2c总线进行数据传输；电机模组与轮系配合安装。
8、通信主板用于接收工作站发送的运动控制指令，并将运动控制指令发送至电机驱动板；还用于将传感器模组获取的机器人状态信息回传至工作站。
9、电机驱动板用于接收通信主板发送的运动控制指令，并根据运动控制指令对电机模组进行闭环控制。
10、电池用于给传感器模组、通信主板、电机模组以及驱动板提供电源。
11、在其中一个实施例中，通信主板包括供电模块，主芯片模块、usb转化模块以及wifi天线。
12、供电模块包括两个降压单元，第一个降压单元的输入端与电池的输出端连接，第一个降压单元的第一个输出端与第二降压单元的输入端连接，第二降压单元的输出端与主芯片模块连接，第一个降压单元的第二个输出端与电机驱动板连接。
13、主控芯片模块通过i2c总线与电机驱动板进行数据传输，主控芯片模块通过uart接口与usb转化模块连接；wifi天线与主控芯片模块连接。
14、在其中一个实施例中，电机驱动板包括电机驱动板主芯片、两个电机驱动芯片。
15、电机驱动板主芯片与通信主板通过i2c总线进行数据传输，电机驱动板主芯片与电机驱动芯片连接，电机驱动芯片与电机模组连接。
16、电机驱动板主芯片用于接收通信主板传输的工作站发送的机器人控制指令，并将机器人控制指令进行处理后转化为pwm信号传输至电机驱动芯片；并接收来自电机霍尔编码器的信息并进行处理，将处理后的信息转化为i2c信号传输至通信主板。
17、在其中一个实施例中，轮系采用6辊子结构的双层正交全向轮设计，机器人的体速度与3个轮子轮速的关系为：
18、
19、其中，va、vb、vc分别为3个轮子的轮速，vx、vy分别为机器人在x方向和y方向的体速度，ω为机器人的旋转速度。
20、在其中一个实施例中，试验场景显示模块包括：若干块采用无边框设计的触控屏，所述触控屏拼接为触屏阵列；所述触控屏为全高清液晶多点触控屏；
21、虚拟障碍物是通过人机交互的方式在触控屏上直接绘制的障碍物；虚拟障碍物具有实际的位置和外形尺寸；触控屏将虚拟障碍物的类别、位置以及外形尺寸转换为tuio格式信息，将得到的tuio格式信息传输至工作站。
22、实物障碍物是通过实物放置的方式在触控屏的屏幕上布置的底部粘贴标识障碍物类型的apriltag标记的障碍物微缩模型。
23、触控屏通过内置的计算机系统捕捉其上方的实物二维码、触控点信息以及物体外形，然后将捕捉的信息转换为tuio格式信息，将得到的tuio格式信息传输至工作站。
24、在其中一个实施例中，工作站中运行的仿真软件是基于机器人开源操作系统设计的，工作站与机器人通过mqtt协议进行通信，工作站与试验场景显示模块通过tuio协议进行通信。
25、仿真软件包括数据采集模块、控制模块以及信号传输模块。
26、数据采集模块用于接收触控屏的tuio格式的环境信息和机器人运动信息，并将接收的tuio格式信息转为ros消息，并传输至控制模块。
27、控制模块用于在接收到ros消息后采用预设控制算法进行处理，确定每个机器人的运动控制指令，并将每个运动控制指令传输至信号传输模块。
28、信号传输模块用于将控制模块下发的ros格式的运动控制指令转换为mqtt消息格式，并下发至对应的小型全向移动机器人；还用于接收机器人上传的mqtt格式的机器人状态信息，并将mqtt格式的机器人状态信息转换为ros格式后传输至控制模块。
29、在其中一个实施例中，控制模块还用于通过基于qt设计的仿真控制终端实现对半实物仿真流程的监视和控制。
30、仿真控制终端包本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台，其特征在于，所述平台包括：若干个底部粘贴有Apriltag标记的机器人、试验场景仿真系统以及工作站；
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述机器人采用双层结构设计，上层包括电池、传感器模组以及通信主板，下层包括轮系、电机模组以及电机驱动板；
3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述通信主板包括供电模块，主芯片模块、USB转化模块以及WiFi天线；
4.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述电机驱动板包括电机驱动板主芯片、两个电机驱动芯片；
5.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述轮系采用6辊子结构的双层正交全向轮设计，机器人的体速度与3个轮子轮速的关系为：
6.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述试验场景显示模块包括：若干块采用无边框设计的触控屏，所述触控屏拼接为触屏阵列；所述触控屏为全高清液晶多点触控屏；
7.根据权利要求6所述的平台，其特征在于，所述工作站中运行的仿真软件是基于机器人开源操作系统设计的，所述工作站与所述机器人通过
8.根据权利要求7所述的平台，其特征在于，所述控制模块还用于通过基于Qt设计的仿真控制终端实现对半实物仿真流程的监视和控制；
9.根据权利要求1-8任一项所述的平台，其特征在于，所述平台还用于模拟随机动态障碍物，模拟随机动态障碍物是通过手持实物在所述触控屏上滑动实现的；
10.一种多机器人规划与控制的通用半实物仿真方法，其特征在于，所述方法适用于采用权利要求1-9任一项所述的多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台进行仿真实验；所述方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种多机器人规划与控制的通用半实物仿真平台，其特征在于，所述平台包括：若干个底部粘贴有apriltag标记的机器人、试验场景仿真系统以及工作站；
2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述机器人采用双层结构设计，上层包括电池、传感器模组以及通信主板，下层包括轮系、电机模组以及电机驱动板；
3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述通信主板包括供电模块，主芯片模块、usb转化模块以及wifi天线；
4.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述电机驱动板包括电机驱动板主芯片、两个电机驱动芯片；
5.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述轮系采用6辊子结构的双层正交全向轮设计，机器人的体速度与3个轮子轮速的关系为：
6.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述试验场景显示模块包括：若干块采用无边...
【专利技术属性】
技术研发人员：代维，朱鹏铭，曾志文，郭瑞斌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：
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