一种引入通信的多移动机器人编队方法

第24卷第10期计算机应用研究

Vol.24No.10

一种引入通信的多移动机器人编队方法

朱法强,尹怡欣

(北京科技大学信息工程学院,北京100083)

3

摘　要:提出以视觉跟踪为基础并引入通信进行多机器人的编队控制方法,根据需要编写了一种新的通信协

Φ实现编队算法。这种多机器人编队控制避免了视觉系统的局限,议,采用闭环l2

中协作完成任务,解决了编队控制的无反馈和实时性不高的问题,编队,一起顺利达到目标点。关键词:多移动机器人;编队控制;通信协议;跟踪

中图分类号:TP24216　　　文献标志码:A:2007)1020059202

Formationplemobilerobotsimportedcommunication

ZHUFa2qiang,YINYi2xin

(SchoolInformationEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Abstract:Basedontrackbyvision,communicationwasimportedinformationcontrolofamultiplemobilerobotssystem.A

newcommunicationprotocolwasconstitutedforneed.Withthistechnique,thelimitofthevisionwaspreventedandthemulti2plemobilerobotssystemcouldworkcoordinatelyintheunknownenvironment.Theproblemthattherewasnofeedbackinfor2mationcontrolwasresolvedandthereal2timewasimproved.Thentherobotscouldbeintheirlinescorrectlyandquicklyandarrivedatthegoalposition.Experimentresultprovesthemethodisfeasible.Keywords:multiplemobilerobots;formationcontrol;communicationprotocol;track

　　近年来,机器人的研究和应用领域不断扩大。为了更好地完成任务,多个机器人协作完成任务的研究逐渐得到重视。在多移动机器人的研究中,编队问题最先摆在前面,即多个机器人如何站队才能有效地运行并完成任务[1,2]。所谓队形控制,就是指多个移动机器人在前进的过程中保持某种队形,同时又要适应环境(如障碍物)约束的控制技术[3]。研究较多的队形[4]有横队形、纵队形、菱形和楔形,这主要是从军事需要的角度考虑的。目前最常用的是基于通信的编队控制,但通信的实时性往往不理想,效果不好。本文采用的是利用机器人的眼睛进行快速编队,并结合通信方式进行两个移动机器人的编队控制。

各子模块等工作。当上位机需要某个模块的数据时,子模块向上位机提供该模块经过处理后的数据。由于大量的数据处理都在各个子模块中完成,上位机得到的都是经过处理后的少量数据,大大减少了上位机的负担。采用这种方式既提高了上位机的效率,又增加了系统的稳定性,方便系统的维护。机器人的

视觉机构和通信模块相互补充使得本文的控制方法得以实现。

1　系统结构

本文使用的机器人是双轮驱动的小车型机器人。机器人系统主要由机械系统(移动平台本体等)、驱动控制系统(驱动控制电路、本体驱动电机、视觉云台控制电机)、视觉系统(摄像头、图像采集卡等)、传感器系统(红外、超声等传感器)、通信系统、上位机系统等组成。总体结构如图1所示。

智能机器人平台采用了主从结构的分布式处理方式,由上位机系统来协调控制各个子模块系统。各个子系统均有自己的数据处理机制,数据处理都在本模块的DSP处理器中完成。上位机只是负责数据融合、任务分解、策略选择制订、协调控制

2　通信模块

机器人之间的通信是相互协作很重要的方面,要求通信的稳定性和快速性。机器人以打包(pack)的形式发送数据,同时接收其他机器人的信息。以leader机器人为参考点,其他fol2

lower机器人通过接收leader机器人的信息决定自己下一步的

位置,从而形成一定的队形。

　　在该多机器人系统中,每个机器人都被赋予惟一的ID地

收稿日期:2006208208;修返日期:2006210220　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60374032);北京市重点学科基金资助项目作者简介:朱法强(19812),男,山东人,硕士研究生,主要研究方向为移动机器人(jousin99@http://wendang.chazidian.com);尹怡欣(19572),男,河北人,院长,教授,博导,主要研究方向为智能控制与智能管理、移动机器人.

?60?计算机应用研究第24卷

(1)

址,在网络环境中只有惟一的IP地址,即每个机器人的地址由网络环境中控制它的主机地址决定。机器人Ri发送的信息包为一个七元组pack={RID,Rl,Rix,Riy,vi,θ其中:i,ωi}。

RID表示机器人Ri的IP地址。

Rl表示机器人Ri是否为leader,0为leader,1为follower。Rix表示机器人Ri所在位置的x轴坐标。Riy表示机器人Ri所在位置的y轴坐标。

vi表示leader机器人Ri的运动速率。

ω2sinγ-v1cos<12+dω1sin<12l′12=v2cosγ-d

ω2cosγ+dω1cos<12-l12ω1)/l12<′12=(v1sin<12-v2sinγ-d

(2)

γ=<12+θ1-θ2　

(3)

Φ控制规律为l2

l′12=α(l′12-l12)　

(4)

<′12=β(<′12-<12)　

(5)

其中:α和β为控制比例系数。

‖l12(x1x2)2+y1-y2)2(l12>Δ)　

(6)

θi表示leader机器人Ri的运动方向与x轴的夹角。ωi表示leader机器人Ri的运动角速度。

根据上面的协议分析,若发送的数据包为pack={1,0,

x1,y1,20,0,5},表示机器人R1为leader,所在的位置为点P1(x1,y1),沿x轴方向以20m/s的速度运动,Δ=1r2;r12。

2=[βl12(<′12-<12)-v1sin<12+l12ω1+ρ12sinγ1]cosγ/d

(7)

5rad/s。

3　编队策略

目前研究的完全基于通信方式的编队控制实时性不高,效果不好。因此本文采用跟踪的方法和通信相结合的方法进行两个机器人的编队控制。机器人的跟踪已经是很成熟的技术,反应时间快、效果好,利用跟踪的方法可以弥补通信实时性差的缺点。但机器人的视觉范围是有限的,在环境复杂、障碍物多时很容易失去跟踪目标,利用通信的方法可使得机器人重新找到目标。两种方法结合起来就可更有效地进行编队控制。

在初始情况下,leader机器人是被跟踪目标,follower机器人时刻监控leader的状态,并与之保持设定的距离和角度。在失去目标的情况下,follower主动发送信息表示跟踪失败,lea2

der机器人在接收到follower的跟踪失败信息后,发送数据包告

ω2tanγv2=ρ12-d1

ρ12=[α(l′12-l12)+v1cos<12]/cosγ1　

(8)(9)

若设定<′12为π,结果就是机器人R2跟随在机器人R1后面前进。机器人R1发送t时刻自己的状态信息{RID1,0,

x1(t),y1(t),v1(t),θ1(t),ω1(t)},由上面公式推导出R2在t+T时刻的控制参数ω2(t+T)和v2(t+T)。机器人R2根据

输入改变运动状态从而保持队形。

4　试验分析

本文以具有两个差分驱动的车轮机器人为实验对象,这种机器人的每个车轮都装有位置编码器以计算机器人的位置。计算机模拟监控模块确定各机器人的对应目标点,每个机器人均具有独立的运行状态(正常运动状态、避障状态、追踪状态)。Leader机器人自主地按理想路径运动,并避开障碍物,

follower机器人在后面跟随。机器人的控制周期是100ms,d=-300mm,a1=0.2,a2=0.3,控制目标使l′.0m,<′12=112=

诉follower自己的位置和状态;follower根据得到的数据把lea2

der的位置作为临时目标点并决定下一步如何前进。控制过程

如图2所示

。

π。试验过程为:leader机器人根据自己的路径规划方法进行

移向目标点的运行,follower机器人进入自由跟踪状态。当失去跟踪目标时发送跟踪失败信息,leader收到信息后发送数据包告诉follower下一步如何走,使其重新发现目标并实施跟踪,最终一起到达目标点(图4)。

基于通信的编队控制的核心在于通过自定位模块获取本机器人的当前位置信息,通过通信模块获取相关机器人的当前位置信息,从而计算本机器人与相关机器人之间的相对距离、相对方位、相对夹角等参数。最后通过某种编队控制算法计算出本机器人在下一运动周期内应达到的速度和角速度[5,6]。Φ控制方法,两个机器人之间的实际距离为l12;两个机采用l2

器人之间的相对角度为<12;θi为机器人Ri的旋转角度。l′12、<′12分别为两机器人之间的理想距离和理想夹角。最终目标就是使得l12和l′<12和<′12、12都趋向一致。D为旋转中心与参考点的距离,d为旋转中心与参考点的距离,如图3所示。

对于跟随者,运动方程为

5　结束语

在以往的多机器人编队控制研究中,缺乏队形反馈的环节。本文引入机器人之间的通信技术,提出了利用视觉传感器并结合通信的队形控制方法,既提高了控制的快速性,也进一步提出了多机器人队形控制反馈的问题,解决了感知盲区的编队问

题。但是当机器人数量增加时,就存在通信

(下转第67页)

第10期刘　瑰,等:基于网格的异构数据源访问体系研究

　　　?67?

处是当某个线程类运行时间较长时可以动态地增加该线程类中的线程数量,从而达到增加处理能力的作用;同时由于每个线程类的功能相对比较简单,便于维护和扩展。图3显示了这五个线程类的基本工作流程以及线程与三个核心队列之间的关系

。

　　API_EXPORT(void)ds_reap_session(DS_BLK3oblk,DS_SES2

SION3osession,request_rec3r)

7)对数据源执行指定插入或更新命令,仅有输入参数

API_EXPORT(sword)ds_set_value(DS_BLK3oblk,char3cmd_name,DS_PARAM33in_data,DS_PARAM33out_data)

3　结束语

本文所设计的基于数据网格的异构数据源访问体系具有以下特点:

a)(包括关系数

、。,数据可以自由地被更新和检索。数据类XSLT来实现,传输过程中可以使用标准的压缩/解压算法来实现(如ZIP和GZIP)。通过访问数据服务,数据可以被发送到各种应用中,包括各种操作系统平台和编程

21212　1)输入/输出参数结构定义

typedefstruct_DS_PARAM{

环境。通过提供C和Java两种语言的开发包,可以帮助用户迅速地开发基于数据访问中间件的应用。向访问中间件提交的请求具有统一的格式,数据访问中间件会自动根据数据源的不同进行相应的转换。这种转换对用户来说是透明的,因此用户可以同时访问几个不同类型的数据源并获得合并后的查询结果。

b)开放的数据源平台。由于该体系具有面向服务的体系

　ub13name;　//字段名　ub13value;　//值　sb4len;　//长度　ub2type;　//类型　shortindicator;　//缺省值　ub2rcode;　//返回值

}DS_PARAM;

架构,可以方便地加入第三方功能构件;同时数据访问中间件具有开放的编程接口,用户可以开发新的应用来支持特定的数据源,从而通过数据访问中间件开放其私有的数据资源。参考文献:

[1]SUGDENT,HUMEA,JACKSONM,etal.Protectingapplicationde2

velopers:aclienttoolkitforOGSA2DAI[C]//ProcoftheUKe2Sci2enceAllHandsMeeting.Nottingham:[s.n.],2004:1432149.[2]DEELMANE,SINGHG,ATKINSONMP,etal.Grid2basedmetadata

services[C]//Procofthe16thInternationalConferenceonScientificandStatisticalDatabaseManagement.WashingtonDC:IEEEComput2erSociety,2004:3932402.

[3]SINGHG,BHARATHIS,CHERVENAKA,etal.Ametadatacatalog

servicefordataintensiveapplications[C]//ProcofSupercomputing.WashingtonDC:IEEEComputerSociety,2003:33250.

[4]OGSA2DAIWSRF2.1userguide[EB/OL].(2005).http://www.

http://wendang.chazidian.com/releases/ogsadai.html.

2)初始化函数

API_EXPORT(int)ds_init(DS_BLK3oblk,char3ds_name,char

3userName,char3userPass);

3)释放处理函数

API_EXPORT(int)ds_destroy(DS_BLK3oblk);

4)获取数据源访问会话函数

API_EXPORT(int)ds_getSession(DS_BLK3oblk,DS_SESSION

3osession)

5)释放数据源访问会话函数

API_EXPORT(int)ds_releaseSession(DS_BLK3oblk,DS_SES2SION3osession)

6)重构数据源访问会话函数(用于当前会话出现错误进

行复位操作)

(上接第60页)冲突的问题;当机器人数量增多时,就要提出更

[3]董胜龙,陈卫东,席裕庚.多移动机器人编队的分布式控制系统

[J].机器人,2000,20(6):4332438.

[4]韩学东,洪炳镕,孟伟.多机器人任意队形分布式控制研究[J].机

完善的通信机制保证通信畅通。因此,提高通信质量也是一个值得研究的问题。参考文献:

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Flockingwithobstacleavoidance

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