單個機器人在處理這類任務(wù)時具有的成本高、效率低等弊端使得多機器人系統(tǒng)引起了專家和學(xué)者的關(guān)注。機器人群體相比于單個機器人在處理復(fù)雜任務(wù)時，具有魯棒性強、靈活性好以及效率高等優(yōu)點。其中的多機器人協(xié)作由于涉及路徑規(guī)劃、目標(biāo)搜索、任務(wù)分配、目標(biāo)跟蹤、編隊控制等多項關(guān)鍵技術(shù)而成為研究多機器人系統(tǒng)的重要途徑和平臺。

多移動機器人系統(tǒng)的構(gòu)成

       多移動機器人系統(tǒng)是實驗環(huán)節(jié)的依托，主要包括 3 臺移動機器人、一臺筆記本電腦及相關(guān)軟硬件部分構(gòu)成。

       按照各個部分的功能將多移動機器人系統(tǒng)劃分為通信層、監(jiān)控顯示層和對象層，其中的通信層將各個層次串聯(lián)起來，形成一個整體的框架，如圖所示。

圖|多移動機器人系統(tǒng)層

       對象層主要包括 3 個移動機器人，移動機器人主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信息，即識別目標(biāo)物與障礙物，并依賴于自身的工控機進行協(xié)作決策和規(guī)劃，是整個任務(wù)的最終執(zhí)行者。如圖是移動機器人硬件組成。

圖|硬件組成

       通信層作為信息傳播的有效載體，一方面將機器人信息和目標(biāo)物的信息打包成數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送給其它機器人，實現(xiàn)了機器人之間信息互通，另外一方面將各個機器人采集到的視頻信息經(jīng)壓縮編碼后傳輸?shù)奖O(jiān)控顯示層。如圖是通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖|通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

       其中，對于機器人之間的通信采用TCP協(xié)議。TCP協(xié)議是基于字節(jié)流面向連接的傳輸協(xié)議，可以實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。機器人與監(jiān)控電腦之間的通信內(nèi)容為視頻流信息，對傳輸?shù)膶崟r性要求較高而對可靠性要求不高，因此，機器人與監(jiān)控電腦之間的通信采用UDP協(xié)議。UDP是基于數(shù)據(jù)報的無連接的傳輸協(xié)議，精簡的機制可以保證傳輸數(shù)據(jù)的實時性。

       監(jiān)控顯示層首先將接收到的視頻信息進行解碼、解壓縮，然后將視頻信息傳入ROS-GUI 中用于后臺顯示與分析，另外可以將接收到的視頻信息保存到指定盤符形成記錄資料。如圖為監(jiān)控層工作流程。

圖|監(jiān)控層工作流程

       多移動機器人系統(tǒng)平臺硬件方面已經(jīng)搭建完成，便可以基于這個平臺實現(xiàn)算法層。算法層我們采用的是簡單且高效的領(lǐng)導(dǎo)-虛擬跟隨法。

      領(lǐng)導(dǎo)跟隨法下的編隊保持控制是一種主從式的編隊控制系統(tǒng)，在N個機器人組成的系統(tǒng)中，選取一個作為領(lǐng)導(dǎo)機器人，其余N-1 個均為跟隨機器人，整個系編隊的主軌跡主要由領(lǐng)導(dǎo)機器人來決定，為了控制系統(tǒng)的誤差，本文引入虛擬跟隨機器人，跟隨機器人按照領(lǐng)導(dǎo)機器人生成的虛擬機器人的軌跡來運動，這樣就把N個機器人編隊協(xié)作問題，轉(zhuǎn)化為N-1 對機器人的軌跡跟蹤問題。

圖 | 加入虛擬機器人的領(lǐng)導(dǎo)-跟隨編隊控制系統(tǒng)

        以兩個機器人為例，來說明加入虛擬機器人的編隊控制系統(tǒng)。假設(shè)虛擬機器人用XV表示，虛擬機器人的實時位姿qV=(xV,yV,θV)T，領(lǐng)導(dǎo)機器人用Xl表示，領(lǐng)導(dǎo)機器人的實時位姿ql=(xl,yl,θl)T，跟隨機器人用Xf表示，跟隨機器人的實時位姿qf=(xf,yf,θf)T，φd和ld分別為領(lǐng)導(dǎo)機器人與跟隨機器人之間期望的角和期望的距離。虛擬機器人Xv的坐標(biāo)可用領(lǐng)導(dǎo)者的坐標(biāo)表示為：

跟隨機器人Xf與虛擬機器人Xv的之間的誤差可以表示為：

領(lǐng)導(dǎo)者的運動學(xué)模型可以表示為：

根據(jù)以上，虛擬機器人Xv的運動學(xué)模型可以表示為：

跟隨者的運動學(xué)模型可表示為：

所以相對誤差的運動學(xué)模型可以表示為：

然后，可以用matlab復(fù)現(xiàn)此算法以驗證算法合理性。

圖 |  V字和同心圓編隊仿真

       綜上，對多移動機器人系統(tǒng)平臺如何搭建并實現(xiàn)編隊進行了介紹，首先，闡述了多機器人系統(tǒng)的框架，主要包括對象層、通信層和監(jiān)控顯示層，其次對多機器人協(xié)作系統(tǒng)的各層及相關(guān)硬件進行了描述后，介紹多機器人協(xié)作系統(tǒng)的監(jiān)控層工作流程，最后介紹了基于多移動機器人系統(tǒng)平臺搭建編隊算法。通過這篇文章，對于想動手搭建多移動機器人系統(tǒng)平臺并實現(xiàn)編隊的研究人員有一定幫助。

深谷學(xué)院

深谷學(xué)院是高品質(zhì)的免費開放的人工智能與機器人專屬學(xué)習(xí)平臺，聯(lián)合國內(nèi)外多名教授、專家學(xué)者、資深工程師，提供線上線下專業(yè)的機器人、人工智能、智能制造相關(guān)課程與服務(wù)。線上線下累計學(xué)習(xí)人次達20萬人次。

    深谷學(xué)院致力于打造機器人愛好者的開源社區(qū)。深谷學(xué)院致力于賦能開展人工智能與機器人產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的中高端人才培養(yǎng)，搭建中高級產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)賦能生態(tài)，服務(wù)中國教育。