基于領(lǐng)航者-跟隨者技術(shù)的多機(jī)器人編隊(duì)控制

吳一塵，劉天宇，王 營(yíng)

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來，隨著機(jī)器人控制技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于多機(jī)器人的編隊(duì)控制研究進(jìn)入又一個(gè)新的階段。通過多機(jī)器人的相互協(xié)同工作可以輕松完成單一機(jī)器人不能完成的任務(wù)，而編隊(duì)控制問題就是多機(jī)器人協(xié)作中的一個(gè)比較典型的問題。多機(jī)器人編隊(duì)的控制體現(xiàn)在使多機(jī)器人按照一定的位置而組成不一樣的隊(duì)形，并在整個(gè)機(jī)器人編隊(duì)向某一事先指定位置行進(jìn)的這一過程中保持此隊(duì)形不發(fā)生變化，與此同時(shí)，也應(yīng)考慮環(huán)境條件對(duì)其的約束與影響，從而實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的能力。在機(jī)器人編隊(duì)控制中，協(xié)同合作問題需要考慮兩方面問題，分別是機(jī)器人之間避免相互碰撞和保持預(yù)先設(shè)定的隊(duì)形，多機(jī)器人編隊(duì)在行進(jìn)過程中，需要既能保持隊(duì)形又可以安全地避開各種未知環(huán)境下的障礙物，從而降低周圍環(huán)境對(duì)機(jī)器人編隊(duì)產(chǎn)生的影響[1]。對(duì)于多機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng)，多個(gè)機(jī)器人通過不同的隊(duì)形來完成單個(gè)機(jī)器人不能完成的任務(wù)。

1 研究背景

從20世紀(jì)70年代開始，機(jī)器人編隊(duì)方面的研究迅速發(fā)展起來，其研究方法也多種多樣：基于行為法、領(lǐng)航者-跟蹤者法、分布式控制法。其中領(lǐng)航者-跟蹤者法就是在多機(jī)器人編隊(duì)中，使某一個(gè)機(jī)器人成為領(lǐng)航者機(jī)器人，其余所有機(jī)器人為跟蹤者機(jī)器人，這樣由兩部分組成。領(lǐng)航者機(jī)器人是整個(gè)機(jī)器人編隊(duì)的核心，為機(jī)器人編隊(duì)的路徑提供依據(jù)，并且規(guī)劃行進(jìn)路程。跟蹤者機(jī)器人則以領(lǐng)航者為基準(zhǔn)，保持一定相對(duì)位置和相對(duì)角度而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而形成不同的編隊(duì)隊(duì)形[2]。

2 機(jī)器人編隊(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

機(jī)器人編隊(duì)由三個(gè)機(jī)器人組成，三個(gè)機(jī)器人采用領(lǐng)航者-跟隨者模式，其中領(lǐng)航者機(jī)器人一個(gè)，跟隨者機(jī)器人兩個(gè)。

2.1 領(lǐng)航者機(jī)器人

領(lǐng)航者機(jī)器人采用輪式機(jī)器人，如圖1所示，搭載控制計(jì)算機(jī)與二維激光雷達(dá)，如圖2所示。搭載的標(biāo)靶作為指示物，為跟隨者提供可識(shí)別定位的目標(biāo)，同時(shí)，領(lǐng)航者機(jī)器人搭載的無線通信設(shè)備為ZigBee協(xié)調(diào)器，用于指令控制與信號(hào)收發(fā)。

圖1 輪式機(jī)器人

圖2 二維激光雷達(dá)

2.2 跟隨者機(jī)器人

跟隨者機(jī)器人采用輪式機(jī)器人，搭載控制電腦與帶有環(huán)境感知傳感器的雙目視覺相機(jī)，如圖3所示，以領(lǐng)航者機(jī)器人上搭載的標(biāo)靶為跟隨者機(jī)器人接收信號(hào)的標(biāo)志物，為跟隨者機(jī)器人提供路徑規(guī)劃的目標(biāo)。同時(shí)搭載的無線通信設(shè)備為ZigBee終端，用于接收領(lǐng)航者機(jī)器人控制信號(hào)。

圖3 雙目視覺相機(jī)

3 地圖構(gòu)建與多點(diǎn)順序?qū)Ш?/h2>

在領(lǐng)航者-跟隨者模式下，領(lǐng)航者機(jī)器人為多機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng)的核心，同時(shí)，它也為整個(gè)機(jī)器人編隊(duì)提供路徑規(guī)劃來確保整個(gè)機(jī)器人編隊(duì)有準(zhǔn)確的行進(jìn)路程。激光雷達(dá)是環(huán)境感知上一種強(qiáng)有力的傳感器，其能力直接決定了整個(gè)機(jī)器人編隊(duì)路徑規(guī)劃的能力好壞，所以激光雷達(dá)的選擇至關(guān)重要，其需要為整個(gè)編隊(duì)構(gòu)建高精度的場(chǎng)景，使機(jī)器人編隊(duì)在場(chǎng)景中進(jìn)行多點(diǎn)順序?qū)Ш剑瑸檎麄€(gè)編隊(duì)的行進(jìn)提供保障[3]。

3.1 SLAM技術(shù)

SLAM技術(shù)，即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)。其旨在解決機(jī)器人移動(dòng)智能化問題，其作用就是將機(jī)器人置于一個(gè)未知的環(huán)境中，從未知環(huán)境中某一指定位置出發(fā)，在移動(dòng)過程中，不斷通過傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)所收集數(shù)據(jù)對(duì)自身位置進(jìn)行計(jì)算與定位，構(gòu)建出一個(gè)遞增式的環(huán)境地圖。

3.2 移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃與導(dǎo)航

機(jī)器人行進(jìn)過程中的避障能力是在機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航前一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，障礙物是機(jī)器人行進(jìn)過程中最大的阻礙，所以避障能力直接影響機(jī)器人的工作效率。靜態(tài)障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物是障礙物中的兩種分類。移動(dòng)機(jī)器人避障，指在行進(jìn)過程中，通過自身搭載的雙目視覺相機(jī)和傳感器來采集行進(jìn)路徑中各種障礙物的狀態(tài)信息，并在其行進(jìn)的過程中，根據(jù)這些障礙物，采取計(jì)算出的規(guī)避動(dòng)作，最終按照計(jì)算出的路線到達(dá)規(guī)劃目標(biāo)點(diǎn)。

3.3 多點(diǎn)順序?qū)Ш?/h3>

在兩點(diǎn)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中可以增加多個(gè)兩點(diǎn)路徑規(guī)劃，來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)路徑規(guī)劃以及實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)順序?qū)Ш?。兩點(diǎn)間的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航是在人為約束條件下實(shí)現(xiàn)的，不能滿足復(fù)雜的路徑規(guī)劃要求，由此提出多點(diǎn)順序?qū)Ш降难芯縼頋M足這一需求。多點(diǎn)順序?qū)Ш绞峭ㄟ^多個(gè)人為設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)，來使機(jī)器人在多個(gè)兩點(diǎn)路徑中進(jìn)行規(guī)劃與導(dǎo)航，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)順序?qū)Ш健?/p>

4 基于雙目視覺的目標(biāo)定位與編隊(duì)隊(duì)形構(gòu)成

雙目視覺，不光有視覺傳感器來獲取圖像信息，還可以利用雙目的視覺差原理來測(cè)量收集目標(biāo)物體的深度信息，利用它可以獲得立體的視覺。隨著時(shí)代進(jìn)步，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和視覺傳感器等硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和不斷進(jìn)步，利用二者的相互結(jié)合，可以輕松實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤和環(huán)境三維地圖的構(gòu)建。

4.1 雙目視覺相機(jī)的坐標(biāo)系變換

視覺相機(jī)的坐標(biāo)系有四大坐標(biāo)系：像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系。像素坐標(biāo)系是以成像平面的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，該坐標(biāo)系描述物體成像后在數(shù)字圖像上的坐標(biāo)位置；圖像坐標(biāo)系是以攝像頭成像平面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，該坐標(biāo)系是為了方便相機(jī)坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系間的映射變換；相機(jī)坐標(biāo)系是站在攝像機(jī)視角上衡量目標(biāo)物體的坐標(biāo)系；世界坐標(biāo)系是用于描述目標(biāo)物體在真實(shí)世界中的位置的參考系，可以根據(jù)運(yùn)算方便進(jìn)行調(diào)整。

4.2 目標(biāo)的識(shí)別與標(biāo)定

利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)跟隨者機(jī)器人上搭載的雙目視覺相機(jī)采集的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，得到領(lǐng)航者機(jī)器人靶標(biāo)的圖像信息，再利用雙目視覺相機(jī)的雙目視差原理得到跟隨者機(jī)器人與目標(biāo)機(jī)器人間的相對(duì)位置關(guān)系，為機(jī)器人編隊(duì)隊(duì)形的構(gòu)成打下基礎(chǔ)[4]。

4.3 多機(jī)器人編隊(duì)與隊(duì)形構(gòu)成

整個(gè)多機(jī)器人編隊(duì)由一個(gè)領(lǐng)航者機(jī)器人和兩個(gè)跟隨者機(jī)器人構(gòu)成。多機(jī)器人編隊(duì)的隊(duì)形設(shè)計(jì)為一字形隊(duì)形和三角形隊(duì)形兩種，編隊(duì)如圖4、圖5所示[5]。

圖4 一字形編隊(duì)

圖5 三角形編隊(duì)

5 結(jié)論

本研究基于領(lǐng)航者-跟隨者模式進(jìn)行機(jī)器人編隊(duì)，該方法中領(lǐng)航者機(jī)器人為機(jī)器人編隊(duì)的核心，利用搭載的二維激光雷達(dá)構(gòu)建高精度的場(chǎng)景地圖，為機(jī)器人編隊(duì)規(guī)劃路徑。跟隨者機(jī)器人利用搭載的雙目視覺相機(jī)的圖像處理技術(shù)來進(jìn)行對(duì)目標(biāo)機(jī)器人標(biāo)靶的識(shí)別與判定，控制自身與標(biāo)靶的相對(duì)位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人編隊(duì)的隊(duì)形之間的變換。