CN104199450A - 群体机器人的控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制***，公开了一种群体机器人的控制***。本发明中，控制***包含：群体机器人管理服务器和N个机器人。群体机器人管理服务器包含：任务调度单元、路径保留单元和路径规划单元；任务调度单元用于为各机器人分配任务，并发送给路径规划单元；路径保留单元用于标记禁止机器人行走的地理位置；路径规划单元用于为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线。机器人包含：导航单元与运动控制单元；其中，导航单元用于根据包含行进路线的任务指令，制定导航指令，运动控制单元用于根据导航指令控制所述机器人的行走。使得机器人的制造成本大大降低，也保证了机器人工作环境内的通信质量和可靠性。

Description

群体机器人的控制***

技术领域

本发明涉及控制***，特别涉及群体机器人的控制***。

背景技术

现有的群体机器人的控制***如图1所示，在该框架中，一般是把任务调度和任务分配模块在服务器上实现，在机器人本身的计算机上实现路径规划、运动控制、障碍物避让等功能。比如，通过机器人本身的传感器探测地图的变化、障碍物的存在及运动，并使用机器人自身的计算机计算行进的路线。机器人之间通过无线网络互相通信，根据需要分享相互之间的位置、速度、姿态、及探测到的障碍物信息等。

然而，在上述方案中，对于环境的探测，障碍物的变化，以及环境中的其他动态实体的检测，高度依赖于机器人自身携带的传感器。这会导致几个问题：首先，对机器人携带的传感器种类、精度、可靠性的要求提高了，导致机器人的制造成本上升。其次，现有技术框架对环境可以给予机器人的信息支持利用的不充分，而极大的依赖于自身传感器及机器人群体之间的实时通信来获取信息。而对于结构化特点明显，操作流程标准、规范的工作空间，环境的变化，障碍物的运动，其他动态实体的变化，大部分可以预知和记录，那么许多事项实际上并不需要机器人去实时检测，而只需要在变化发生的时候，由管理信息***以某种广播的方式“告知”正在工作的机器人。第三，由于机器人自身需要执行频繁的环境检测、路径计算、运动控制、及通信等任务，为满足控制的实时性，对机器人的嵌入式计算能力的要求也会提高。第四，机器人数量增加意味着通信的节点数增加，通信通道会以指数规模增加，通信的质量和可靠性会降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种群体机器人的控制***，使得机器人的制造成本可以大大降低，同时避免了机器人之间的频繁通信，保证了机器人工作环境内的通信质量和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种群体机器人的控制***，包含：群体机器人管理服务器和N个机器人，所述N为自然数；

所述群体机器人管理服务器包含：任务调度单元、路径保留单元和路径规划单元；其中，所述任务调度单元用于为各所述机器人分配任务，并将分配的任务发送给所述路径规划单元；所述路径保留单元用于标记禁止机器人行走的地理位置；所述路径规划单元用于根据分配给机器人的任务，结合所述路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线；

所述机器人包含：导航单元与运动控制单元；其中，所述导航单元用于根据来自所述群体机器人管理服务器的任务指令，制定导航指令，所述任务指令包含所述行进路线；所述运动控制单元用于根据所述导航指令控制所述机器人的行走。

本发明实施方式相对于现有技术而言，***架构通过服务器端对工作空间的完备管理、对分配的任务进行深度预处理、及引入动态路径管理机制，使得原本需要机器人自身传感器得到的信息可以通过服务器获得，并且机器人可以通过服务器获得路径信息以及知道如何避开障碍物。这一新架构简化了机器人端的软硬件模块，对服务器的信息支持利用更充分，同时降低了对机器人嵌入式计算能力的要求。具体地说，由群体机器人管理服务器为各机器人制定行进路线，无需机器人通过自身携带的传感器对环境、障碍物的探测以及机器人群体之间的实时通信来制定行进路线，使得在室内空间进行大群机器人的协同控制在工程实践上更为简便、易行、可靠。而且，由于减少了机器人对自身携带的传感器种类、精度、可靠性的要求，以及对机器人的嵌入式计算能力的要求，因此大大降低了机器人的制造成本，同时，由于机器人无需通过群体之间的实时通信来获取用于制定路线的信息，因此避免了机器人之间的频繁通信，保证了机器人工作环境内的通信质量和可靠性。而且，由路径保留单元标记禁止机器人行走的地理位置(如货架所占用的位置)，路径规划单元根据分配给机器人的任务，结合路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线，也保证了本发明的实施方式的可行性。

另外，群体机器人的控制***还包含信息管理子***，用于设置需要执行的任务，并将设置的任务发送给群体机器人管理服务器，供所述任务调度单元进行分配。由单独的信息管理子***设置任务，减轻了群体机器人管理服务器的负荷，而且由于群体机器人管理服务器负责任务的接收与分配，使得该群体机器人的控制***可应用于各种应用场合，如信息管理子***为仓库管理信息***时，该群体机器人的控制***就相当于智能仓储***，可以控制大量机器人在仓库内搬运货物，完成订单。

另外，路径规划单元包含：地图构建子单元，用于预先将室内地图栅格化，并对每个栅格按行列进行编号，每个编号为二维数组；所述地图构建子单元将栅格化的室内地图发送给所述路径保留单元，供该路径保留单元将禁止行走的地理位置所对应的栅格标识为特定字符；标记接收子单元，用于接收来自所述路径保留单元的所述标识后的室内地图；搜索子单元，用于根据所述标识后的室内地图，制定所述行进路线。通过将室内地图栅格化的方式，可使得路径保留单元更容易、更精准地标记禁止行走的地理位置，从而保证了路径规划单元所制定的行进路线的准确性。

另外，导航单元还用于向所述路径保留单元发送待执行任务的行进路线；路径保留单元还用于在收到来自所述导航单元的行进路线后，更新标记的禁止行走的地理位置，将该行进路线中所包含的地理位置标记为禁止行走的地理位置；路径规划单元在后续规划路径时，结合所述路径保留单元更新后的标记的禁止行走的地理位置，规划路径。由于路径规划单元在规划路线时，不仅考虑到了如货架等静态障碍物所占用的位置，还考虑到了其他机器人即将通过的位置，通过路径保留单元对这些位置的标记，确保了这些位置也是被占用的，从而避免了行进路线的冲突，进而避免了机器人在行进过程中的碰撞。

另外，导航单元还用于在所述行进路线完成后，通知所述路径保留单元；路径保留单元还用于取消已完成的行进路线中所包含的地理位置的禁止行走的标记。通过在完成行进路线后对行进路线中所包含的地理位置的释放，确保了这些位置仅在机器人行经的短时间内是独占的，从而保证了路径规划单元制定的行进路线的准确性。

附图说明

图1是根据现有技术中的群体机器人的控制***结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的群体机器人的控制***结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式的群体机器人的控制***的工作流程示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的地图栅格化示意图；

图5是根据本发明第一实施方式中的标识后的室内地图示意图；

图6是根据本发明第一实施方式中的行进路线示意图；

图7是根据本发明第一实施方式中的地面标志示意图；

图8是根据本发明第一实施方式中的通过二维码标签记录栅格编号信息的示意图；

图9是根据本发明第二实施方式的群体机器人的控制***结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种群体机器人的控制***，具体结构如图2所示。该控制***包含服务器端和机器人端。服务器端包含：信息管理子***和群体机器人管理服务器；机器人端包含N个机器人，其中N为自然数。

管理信息***可以是现有的工作平台，比如仓库的管理***。群体机器人管理服务器进一步包含：任务调度单元、路径保留单元和路径规划单元。这些模块可以和管理信息***交互信息，分别执行任务的优化调度，机器人行走路径的规划，防止发生碰撞的功能。

具体地说，信息管理子***，用于设置需要执行的任务，并将设置的任务发送给群体机器人管理服务器，供任务调度单元进行分配。任务调度单元用于为各机器人分配任务，并将分配的任务发送给路径规划单元；路径保留单元用于标记禁止机器人行走的地理位置；路径规划单元用于根据分配给机器人的任务，结合路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线。机器人包含：导航单元与运动控制单元；其中，导航单元用于根据来自群体机器人管理服务器的任务指令，制定导航指令，任务指令包含所述行进路线；运动控制单元用于根据所述导航指令控制所述机器人的行走。

也就是说，首先由管理信息子***确定需要完成哪些任务，然后把若干任务交给调度模块进行优化调度，以确定执行任务的具体的机器人以及机器人需要达到的位置。这些信息然后会被传递给路径规划模块，根据一定的算法确定每个机器人行进的路线，最后这个路线会通过无线网络传递给机器人。机器人的导航单元和运动控制单元则保证机器人会沿着收到的路径行走，直至达到目的地。

本实施方式的具体工作流程如图3所示，在步骤301中，预先将室内空间构建成栅格化地图。具体地说，由路径规划单元中的地图构建子单元预先将室内的地图进行栅格化，每个栅格为正方形。在具体应用中，可根据实际需要确定每个栅格的大小，比如将每个栅格的实际面积设为1米左右。并且对每个栅格按行列进行编号，每个编号为二维数组，如(M,N),其中M代表行号，N代表列号。并且定义行号增加的方向为南方，列号增加的方向为东方(当然，也可以定义行号递减的方向为南方，列号递减的方向为东方)。地图的表达如图4所示。地图构建子单元在完成栅格化后，还需将栅格化的室内地图发送给所述路径保留单元，供该路径保留单元将禁止行走的地理位置所对应的栅格标识为特定字符，以标记禁止机器人行走的地理位置。

在步骤302中，由路径规划单元包含的标记接收子单元，接收来自路径保留单元的标识后的室内地图，如图5所示，图5中带阴影的栅格为路径保留单元标识的禁止机器人行走的栅格。

当群体机器人管理服务器的任务调度单元在为某个机器人分配了任务后，进入到步骤303。在步骤303中，路径规划单元根据分配给机器人的任务，结合路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线。

具体地说，由路径规划单元中包含的搜索子单元根据标记接收子单元接收到的标识后的室内地图，制定机器人到达目的地的行进路线。具体为该搜索子单元根据分配给机器人的任务设定起点与终点，并采用启发式的搜索算法，在标识后的室内地图上的起点和终点之间搜索最短路径，将搜索到的最短路径作为行进路线，如图6所示，图6中的编号1为机器人的起点，编号2为机器人的终点。其中，启发式的搜索算法可以为迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，A星(A*)算法，或最佳优先(Best First Search)算法等。启发式的搜索算法可以避开地图上所有已知的静止障碍物。通过将室内地图栅格化的方式，可使得路径保留单元更容易、更精准地标记禁止行走的地理位置，从而保证了路径规划单元所制定的行进路线的准确性。

接着，在步骤304中，路径规划单元将任务指令发送给相应的机器人，该任务指令包含为该机器人制定的行进路线。

在步骤305中，机器人内的导航单元根据来自群体机器人管理服务器的任务指令，制定导航指令，运动控制单元根据导航指令控制机器人的行走。具体地说，导航模块从路径规划模块获取的路径是一个数组，这个数组的元素是从起点到终点的路径栅格的行列编号。通过对这个数组的行列编号进行处理，可以得到路径的长度、路径的方向、路径拐弯的栅格、路径拐弯的方向等一系列信息。使用这些信息可以制定一些导航指令如前进、转弯等。导航指令设计为二元组：<方向，格数>、<拐弯，角度>。运动控制单元接收到导航指令后，会根据指令内容控制左侧和右侧的电机驱动车轮运动。比如前进指令，可以发送前进多少米，以什么速度前进这些信息给运动控制单元，运动控制单元就会按照这个要求驱动电机。

导航指令中的方向是该路径下一次转弯前的方向，格数是从机器人所处的当前格到下一次转向前要走过的格数。这样指令<东，10>，<北，8>就分别代表往东走过10格，往北走过8格。当格数退到0时，表示要转弯或者已经抵达目的地，此时，算法要发出新的导航指令，若抵达目的地，则导航结束。

需要说明的是，在本实施方式中，为了保证机器人会沿着收到的路径行走，地图中每个栅格的中心固定有地面标志(地面标志为实物，放置于室内的地面上)，该地面标志可以是位于正方形外框内的二维码标签，如图7所示，通过二维码标签记录栅格的编号信息，如图8所示。具体地说，使用地面标志记录地图上每个栅格的行列编号，并把标志固定到栅格的中心。实体机器人首次进入仓库时要打开相机，通过读取地面标志，对其当前位置进行初始化。同时，其摆放的方向要和程序中默认的初始方向一致。此后，机器人在工作过程中通过读取地面标志来确定自己在仓库中的位置，并且每次转向后，要对新的方向加以记录。这样，机器人就可以实时的掌握自身的位置和方向信息。值得一提的是，机器人首次进入仓库时的位置也可以任意摆放，但需要告知其初始的方向，比如通过一个旋钮开关，让机器人知道自己的初始方向。或者，也可以在地面标签添加特定的符号供机器人识别，从而确定初始方向。再或者，也可以让机器人试走几步，通过对比行列号的变化确定机器人的初始方向。

另外，需要说明的是，本实施方式中的机器人还包含用于探测障碍物的超声传感器，运动控制单元在超声传感器探测到障碍物后，控制机器人停留在原地，直至障碍物消失。也就是说，本实施方式中对于不可预测的运动障碍物，比如行人，采用超声传感器实时探测。探测到障碍物以后，停留在当前栅格等待障碍物离开。障碍物离开以后重新启动保留、导航、运动控制过程。在具体实现时，机器人会每隔一定角度安装一个超声传感器，可以形成360度的覆盖。传感器把探测到的物体的距离发送给机器人内部的MCU(微控制单元)，MCU会根据所有传感器返回的信息绘制周围的障碍物和通道地图。

不难发现，本实施方式的***构架简化了机器人端的软硬件模块，对服务器的信息支持利用更充分，同时降低了对机器人嵌入式计算能力的要求。由于无需机器人通过自身携带的传感器对环境、障碍物的探测以及机器人群体之间的实时通信来制定行进路线，使得在室内空间进行大群机器人的协同控制在工程实践上更为简便、易行、可靠。同时，由于机器人无需通过群体之间的实时通信来获取用于制定路线的信息，因此避免了机器人之间的频繁通信，保证了机器人工作环境内的通信质量和可靠性。而且，由路径保留单元标记禁止机器人行走的地理位置(如货架所占用的位置)，路径规划单元根据分配给机器人的任务，结合路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线，也保证了本发明的实施方式的可行性。另外，由单独的信息管理子***设置任务，减轻了群体机器人管理服务器的负荷，而且由于群体机器人管理服务器负责任何的接收与分配，使得该群体机器人的控制***可应用于各种应用场合，如信息管理子***为仓库管理信息***时，该群体机器人的控制***就相当于智能仓储***，可以控制大量机器人在仓库内搬运货物，完成订单。

本发明的第二实施方式涉及一种群体机器人的控制***。第二实施方式在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，导航单元还用于向路径保留单元发送待执行任务的行进路线，并在行进路线完成后，通知所述路径保留单元；路径保留单元还用于在收到来自导航单元的行进路线后，更新标记的禁止行走的地理位置，将该行进路线中所包含的地理位置标记为禁止行走的地理位置，在收到已完成行进路线的通知后，取消已完成的行进路线中所包含的地理位置的禁止行走的标记。路径规划单元在后续规划路径时，结合路径保留单元更新后的标记的禁止行走的地理位置，规划路径。

具体地说，对于静态障碍物，比如货架，在维护地图数据时，会把它所在的栅格的状态记录为占用，搜索算法在搜索路径时会自动避开已占用的栅格。因而搜得的路径不会和静态障碍物发生交叉，也就没有碰撞。对于动态障碍物，比如其他机器人，采用路径保留的机制。该机制要求机器人实时向路径保留模块申请即将通过的若干个栅格的使用权，申请成功后，其他机器人便不能再申请。确保这些栅格在机器人行经的短时间内是独占的，因而不会和其他机器人发生碰撞。在通过以后，机器人的导航单元通知路径保留单元释放这些栅格给其他机器人申请，如图9所示。

由于路径规划单元在规划路线时，不仅考虑到了如货架等静态障碍物所占用的位置，还考虑到了其他机器人即将通过的位置，通过路径保留单元对这些位置的标记，确保了这些位置也是被占用的，从而避免了行进路线的冲突，进而避免了机器人在行进过程中的碰撞。而且，通过在完成行进路线后对行进路线中所包含的地理位置的释放，确保了这些位置仅在机器人行经的短时间内是独占的，从而保证了路径规划单元制定的行进路线的准确性。

值得一提的是，上述各实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种群体机器人的控制***，其特征在于，包含：群体机器人管理服务器和N个机器人，所述N为自然数；

所述群体机器人管理服务器包含：任务调度单元、路径保留单元和路径规划单元；其中，所述任务调度单元用于为各所述机器人分配任务，并将分配的任务发送给所述路径规划单元；所述路径保留单元用于标记禁止机器人行走的地理位置；所述路径规划单元用于根据分配给机器人的任务，结合所述路径保留单元标记的禁止行走的地理位置，为该机器人规划路径，制定该机器人到达目的地的行进路线；

所述机器人包含：导航单元与运动控制单元；其中，所述导航单元用于根据来自所述群体机器人管理服务器的任务指令，制定导航指令，所述任务指令包含所述行进路线；所述运动控制单元用于根据所述导航指令控制所述机器人的行走。

2.根据权利要求1所述的群体机器人的控制***，其特征在于，还包含信息管理子***，用于设置需要执行的任务，并将设置的任务发送给所述群体机器人管理服务器，供所述任务调度单元进行分配。

3.根据权利要求1所述的群体机器人的控制***，其特征在于，所述路径规划单元包含：

地图构建子单元，用于预先将室内地图栅格化，并对每个栅格按行列进行编号，每个编号为二维数组；所述地图构建子单元将栅格化的室内地图发送给所述路径保留单元，供该路径保留单元将禁止行走的地理位置所对应的栅格标识为特定字符；

标记接收子单元，用于接收来自所述路径保留单元的所述标识后的室内地图；

搜索子单元，用于根据所述标识后的室内地图，制定所述行进路线。

4.根据权利要求3所述的群体机器人的控制***，其特征在于，

所述搜索子单元根据分配给机器人的任务设定起点与终点，并采用启发式的搜索算法，在所述标识后的室内地图上的起点和终点之间搜索最短路径，将搜索到的最短路径作为所述行进路线。

5.根据权利要求4所述的群体机器人的控制***，其特征在于，所述启发式的搜索算法为迪杰斯特拉算法，A星算法或最佳优先算法。

6.根据权利要求3所述的群体机器人的控制***，其特征在于，所述每个栅格的中心固定有地面标志；

所述导航单元通过对所述地面标志的读取，确定本机器人当前位置。

7.根据权利要求6所述的群体机器人的控制***，其特征在于，所述地面标志为位于正方形外框内的二维码标签，所述二维码标签记录栅格的编号信息。

8.根据权利要求1所述的群体机器人的控制***，其特征在于，

所述导航单元还用于向所述路径保留单元发送待执行任务的行进路线；

所述路径保留单元还用于在收到来自所述导航单元的行进路线后，更新标记的禁止行走的地理位置，将该行进路线中所包含的地理位置标记为禁止行走的地理位置；

所述路径规划单元在后续规划路径时，结合所述路径保留单元更新后的标记的禁止行走的地理位置，规划路径。

9.根据权利要求8所述的群体机器人的控制***，其特征在于，

所述导航单元还用于在所述行进路线完成后，通知所述路径保留单元；

所述路径保留单元还用于取消已完成的行进路线中所包含的地理位置的禁止行走的标记。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的群体机器人的控制***，其特征在于，所述机器人还包含用于探测障碍物的超声传感器；

所述运动控制单元在所述超声传感器探测到障碍物后，控制所述机器人停留在原地，直至所述障碍物消失。