CN112346959B - 一种虚实结合的多机器人应用测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种虚实结合的多机器人应用测试平台及测试方法，测试平台包括：作为底层通讯模块的蓝牙通信子***；用于与多个机器人交互的分层级的基础控制子***；用户交互子***：包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例计算模块；内置多机器人应用模块：包括一个中心化同步的圆形成计算模块，用于验证平台的正确性和性能；测试平台还包括一个外部监控摄像头模块，用于实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置。使用本发明提供的技术方案，可方便地通过虚实结合的方法测试和验证多机器人协作应用程序。

Description

一种虚实结合的多机器人应用测试平台及测试方法

技术领域

本发明属于移动计算、机器人和软件工程技术领域，涉及多机器人应用技术，尤其涉及一种虚实结合的用于多机器人协作应用的低成本、易部署、便于操作的物理测试平台及测试方法。

背景技术

现在多机器人实验平台的研究与应用虽然已经取得了一些进展，但是通过小规模的机器人组实现从理论到真实环境中的实际模拟，再到大规模地部署稳定的多机器人***仍旧是一件复杂和耗费时间的工程。并且，真实地部署多机器人实验平台对多机器人研究应用的发展至关重要，因为模拟器很难模拟真实环境中可能遇到的与多机器人协同任务相关的所有的问题并且得到可信的结果。除此以外，对于多机器人协作算法的研究者来说，部署真实的多机器人实验***已经很困难，分析在多机器人实验***上得到的结果并且发现潜在的问题就变得更加困难。所以，一种方便使用、稳定的物理模拟实验平台对于多机器人协作领域研究应用是非常重要的。

但是，现有开发出的多机器人实验平台大多不适用于多机器人应用研究。例如，Pickem等人提出的Robotarium是一款可以安全地远程使用的多机器人研究设备。这款平台的功能包括自动位置跟踪、自动充电、算法安全检查以及可被证明的避免碰撞的算法执行方式。Robotarium虽然可以远程使用，但是使用者不能使用机器人上的传感器信息，导致可用信息不足。Mondada等人设计的E-puck机器人虽然功能丰富，但是没有支持多机器人应用研究的***框架。Rubenstein等人设计的Kilobot机器人的目标是集群行为研究，但它的机器人功能过于单一不能用于多机器人应用研究。所以，多机器人应用研究领域需要一种多功能、易部署的多机器人实验平台，帮助研究应用人员测试和验证多机器人协作应用程序。

发明内容

本文中，移动云计算应用程序，指的是适用于移动设备并能使用云计算技术的应用程序。移动平台，指的是运行在移动设备上的操作***、中间件等支撑应用程序运行的平台。

本发明的目的是提供一种虚实结合的多机器人应用测试平台及测试方法，现有的多机器人应用技术难以解决目前在开发和运行移动云计算应用程序时需要修改操作***及只支持某个特定的移动平台的问题，通过本发明提供的虚实结合的多机器人应用测试平台，研究应用人员可以方便地测试和验证多机器人协作应用程序。

本发明的核心是：

虽然现在许多机器人的开发者都提供针对个体的控制接口，使用者可以通过该控制接口简单地控制机器人运动。但是这对于多机器人应用开发研究应用者来说是远远不够的，使用者并不能直接以个体机器人为基础测试和验证多机器人协作应用。本发明基于个体移动机器人，发明了一种易部署的多机器人实验平台和配套***，帮助使用者测试和验证多机器人协作应用。使用者可以使用本发明快速搭建多机器人协作应用实验平台和***，运行内置的运动控制程序和测试用例，生动地展示应用执行过程。除此以外，使用者还可以在搭建的多机器人协作应用平台运行自己的应用，在真实的物理环境中测试和验证应用的正确性和稳定性。为了实现上述功能，本发明首先实现底层通讯模块实现了蓝牙通信子***。然后，本发明实现了一个层级的基础控制子***，使用者可以通过这个基础控制***与多个机器人交互。在基础控制子***之上是用户交互子***，包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例算法。内置多机器人应用包括一个中心化同步的圆形成算法，用于验证平台的正确性和性能。除此以外，本发明还包括一个外部监控摄像头模块实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置。

本发明提供的技术方案如下：

一种虚实结合的多机器人应用测试平台，包括：作为底层通讯模块的蓝牙通信控制子***；用于与多个机器人交互的分层级的基础控制子***；用户交互子***：包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例计算模块；内置多机器人应用模块：包括一个中心化同步的圆形成计算模块，用于验证平台的正确性和性能；测试平台还包括一个外部监控摄像头模块，用于实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置。通过使用本发明提供的虚实结合的多机器人应用测试平台，研究人员可以方便地测试和验证多机器人协作应用程序。

具体实施时，本发明包括如下模块：

B1.蓝牙通信控制子***，用于将一个本地串行端口与个体机器人上的MAC地址绑定，通过读写操作***串行端口与机器人交互，发布具体的运动控制命令以及读取机器人上的传感器的数据，并动态监控这些连接的通讯状况。

B2.基础控制子***包括四个部分，分别是：个体机器人监控模块、相对位置监控模块、节点管理模块和多机器人协作控制算法(如圆形成算法)模块。

B21.个体机器人监控模块包括ROS(Robot Operating System，机器人操作***)消息***，通过ROS消息***监听集群中的个体机器人控制信息，并把控制信息通过控制算法转换为具体的移动命令，然后通过ROS消息***把移动命令发送给蓝牙通讯控制子***。

B22.相对位置监控模块使用ROS的坐标转换***。本发明设有一个位置确定的标定二维码，通过相对位置监控模块计算每个机器人相对于该标定二维码的位置，并通过位置控制算法使得每个机器人的位置在安全范围内。

B23.节点管理模块的作用是启动多个个体机器人监控模块并监控这些模块的运行状况(通信连接状态、机器人当前状态等)。

B24.控制算法模块用于基于当前机器人位置和目标点位置计算得到机器人的移动控制信息，并通过ROS消息***把控制信息发送给个体机器人监控模块。控制算法模块内置基础的PID控制算法，使用者也可以通过控制算法模块内部预留的接口使用自己定义的控制算法(多机器人协作算法)。

B3.用户交互子***是使用者与实验平台交互的界面，包括用户交互界面、地图绘制模块、图案形成算法库和键盘控制模块。

B31.用户交互界面是一个可以进行实时交互的图形界面，用户可以使用鼠标控制实验平台，也可以通过图像和地图观察平台运行状况。

B32.图案形成算法库包括基本的图案形成算法，使用者也可以通过接口使用自己的图案形成算法。

B33.键盘控制模块是一个简单的交互接口，它通过监听键盘事件向机器人发送命令，这样使用人员可以通过键盘对机器人进行简单的控制。

B34.地图绘制模块用于绘制实验平台的二维地图，在初始化时它会需要获取整个实验平台的信息，比如边界标志点的位置和所有小机器人的二维码和端口配置。初始化完成之后地图绘制模块就开始每隔一段固定的时间更新自身的二维地图，包括小机器人的位置和目标位置。在更新过程中需要对二维地图加上互斥锁，防止更新过程与读取过程产生冲突。

B4.摄像头监控子***包括外部摄像头和二维码识别模块；通过外部摄像头获得测试平台的外部图像，使用二维码识别模块识别机器人的二维码位置和边界二维码的位置，最后通过ROS(机器人操作***)中的特定消息格式和坐标转换***发布在摄像头视角下集群内部每个个体机器人的位置信息。

利用上述测试平台对多机器人协作应用程序进行测试和验证工作时，包括如下步骤：

A1.搭建测试平台的硬件部分，包括使用一台小型电脑、搭建外部摄像头以及连接可以显示地图的大型液晶显示屏，液晶显示屏和外部摄像头都连接到小型电脑上，液晶显示屏作为小型电脑的显示器。通过本发明描述的方法可以减少使用者花在硬件环境上的时间。

A2.降低部署研究平台对实验空间的要求。因为显示地图的显示屏可以调整运行地图的大小，使用者可以根据实际需求选择不同大小的实验环境，方便使用者演示算法。

A3.测试平台对个体机器人上的底层程序进行包装，方便使用者使用整个软件***。在使用实验平台的过程中，使用者只需要关心高层多机器人算法的实现，而不用在意底层***和通讯交互。

A4.应用平台应该有可视化界面(即地图绘制模块，展示在大型液晶屏上面)，供研究者直观地观察多机器人协作算法的运行状况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种虚实结合的多机器人应用测试平台和测试方法，使用本发明提供的技术方案，可方便地通过虚实结合的方法测试和验证多机器人协作应用程序。使用者使用本发明可以方便地测试和验证多机器人协作应用程序，而不用再重复搭建繁琐的硬件验证平台。本发明通过虚实结合的方法降低了搭建实际实验环境的难度，研究者可以通过虚拟地图上的虚拟实验环境模拟真实的实验环境，从而快速地验证多机器人协作应用程序在不同环境下的性能。

附图说明

图1是本发明提供的虚实结合的机器人应用测试平台的组成结构框图。

图2是本发明实施例提供的虚实结合的机器人应用测试平台实物图。

图3是本发明实施例提供的测试平台运行展示图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种虚实结合的多机器人应用测试平台，能够解决现有的多机器人应用技术在开发和运行移动云计算应用程序时需要修改操作***及只支持某个特定的移动平台的问题。

图1所示是本发明实施例提供的虚实结合的机器人应用测试平台的组成结构，包括：作为底层通讯模块的蓝牙通信控制子***；用于与多个机器人交互的层级基础控制子***；用户交互子***：包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例计算模块；内置多机器人应用模块：包括一个中心化同步的圆形成计算模块，用于验证平台的正确性和性能；测试平台还包括一个外部监控摄像头模块，用于实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置。

图2是本发明实施例提供的虚实结合的机器人应用测试平台实物图。本发明的具体实施方式如下：

A.蓝牙通讯控制子***的具体实施方式如下：

A1.为了提高***的稳定性和可移植性，蓝牙通讯控制子***应该被组织成两个层级，分别是底层读写串行端口的串口通讯模块和上层可以完成不同机器人层面抽象功能的上层通讯线程，除此以外还有相应的通讯监控模块。串口通讯模块应该包装基本通讯操作，包括根据输入端口地址初始化模块并建立连接、断开连接、从串口读取指定长度的数据、向串口写入指定长度的数据、强制刷新缓冲区以及丢弃串口中指定长度的数据。为了保持通讯的实时性，降低同***中模块的影响，上层通讯模块需要运行在单独的线程中，通过定时器按照一定的时间间隔通过串口通讯模块读取数据以及写入新数据。上层的通讯线程需要实现与个体机器人相关的基本通讯操作，比如通过指定端口建立连接、断开连接、读取串口里程计数据、设置机器人运行速度、运行模式和前进方向、读取红外传感器数据、设置LED灯等等。

A2.在实际使用中基于蓝牙的通讯***会出现不稳定的现象，比如在不能读取端口的时候会陷入死循环、通讯过程中会卡死。所以需要一个监控模块在软件基础上补偿这些问题，使蓝牙通讯控制子***更加稳定，监控模块的功能包括统一启动所有机器人节点的蓝牙通讯模块、每隔一定的时间间隔查看各个模块的运行情况以及当发现有模块退出或者卡死时重新启动该模块。

B.外部摄像头监控***通过一个外部摄像头获取研究平台的实时图像，识别机器人和边界的二维码信息，最后通过全局***发布这些位置信息。的具体实施方式如下

B1.为了最大化平台易部署的特性，本发明的实验平台必须降低配置摄像头的难度，做到不论摄像头在任何位置，只要从中可以看到整个实验平台，都可以准确地获得机器人在二维平面的相对位置。为了达到这个目标，本发明使用两个二维码图案作为实验平台边界的标志物。在解析实时图像时，监控***不仅解析机器人上的二维码位置，还解析边界二维码的位置，这样高层***就可以通过边界二维码计算机器人的相对位置。

B2.二维码识别模块基于一个开源代码库Alvar,目标是可以在严格的时间要求下同时识别多个二维码物体。为了把二维码识别模块融入到整个实验***中，本发明使用坐标转换***分别发送识别位姿数据。

C.基础控制***按照抽象程度分成4级，分别是个体机器人监控程序、相对位置监控模块、节点管理模块和位置控制算法模块，具体实施方案如下：

C1.个体机器人监控模块是蓝牙通讯控制子***和高层交互***的接口，负责两个***之间的通讯连接。在启动时，个体机器人监控程序需要有两个启动参数，分别是机器人编号和对应端口号。为了提高代码的复用性和可靠性，个体机器人监控程序同样需要封装蓝牙通讯控制子***的连接模块和断开连接模块。除此以外，为了使整个***更方便进行测试，个体机器人监控程序应该同时实现键盘控制接口和速度控制接口。

C2.相对位置监控模块是个体机器人监控模块和控制算法模块之间的接口。它通过监听ROS的TF坐标转换***获得小机器人和目标点的平面位置，并把这些位置包装起来发送给控制算法模块。

C3.节点管理模块的作用是存储当前多机器人配置状态、启动各个机器人的监控模块和通信模块以及监控这些模块的运行状况。

C4.控制算法模块根据当前的小车位置和目标点位置计算具体的控制命令。该模块提供了算法接口，使用者可以自己实现控制算法。

D.用户交互***为使用者提供一个简洁的可以观察和操作这个多机器人实验平台的界面，使用者可以用这个模块操作实验平台并且观察实验平台上小车的运行状况。这个交互***包括用户交互界面、地图绘制模块、图案形成算法库和键盘控制模块。

测试平台的实例展示图如图3所示。本实例基于一个小型大型的地面平台。实验平台的控制中心是一个英特尔NUC7i7BNH迷你主机，***环境是Ubuntu16.04，[email protected]*2，内存8G，使用的外部监控摄像头是华硕Xtion深度摄像头。实验平台的大小为65厘米x75厘米，摄像头高度是80厘米。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种虚实结合的多机器人应用测试平台，包括：

作为底层通讯模块的蓝牙通信子***；

用于与多个机器人交互的分层级的基础控制子***；

所述基础控制子***包括：个体机器人监控模块、相对位置监控模块、节点管理模块和控制算法模块；具体为：

B21.个体机器人监控模块包括ROS消息***，通过ROS消息***监听集群中的个体机器人控制信息，并把控制信息通过控制算法转换为具体的移动命令，然后通过ROS消息***将移动命令发送给蓝牙通讯控制子***；

B22.相对位置监控模块通过使用ROS的坐标转换***，以相机坐标系为基础获取机器人和移动目标位置点的相对位置确定的标定二维码的相对位置，并使得位置在标定二维码确定的安全范围内；

B23.节点管理模块用于启动多个个体机器人监控模块并监控模块运行状况；

B24.控制算法模块用于基于当前机器人位置和目标点位置计算得到机器人的移动控制信息，并通过ROS消息***把控制信息发送给个体机器人监控模块；

用户交互子***：包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例计算模块；

内置多机器人应用模块：包括一个中心化同步的圆形成计算模块，用于验证平台的正确性和性能；

测试平台还包括一个外部监控摄像头模块，用于实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置。

2.如权利要求1所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，所述蓝牙通信子***将一个本地串行端口与个体机器人上的MAC地址绑定，通过读写操作***串行端口与机器人交互，发布运动控制命令和读取传感器数据，并动态监控连接的通信状况。

3.如权利要求1所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，所述控制算法模块内置基础的PID控制算法，或通过控制算法模块内部预留的接口使用自定义的控制算法。

4.如权利要求3所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，所述用户交互子***为使用者与实验平台交互的界面，具体为：

B31.所述用户交互界面采用实时交互的图形界面，可通过使用鼠标控制实验平台或通过图像和地图观察平台运行状况；

B32.所述图案形成示例计算模块包括图案形成算法库，通过接口使用自定义图案形成算法；

B33.所述键盘控制模块是一个交互接口，通过监听键盘事件向机器人发送命令，使得通过键盘对机器人进行控制；

B34.所述地图绘制模块用于根据获取的平台信息绘制和更新平台的二维地图，包括机器人的位置和目标位置。

5.如权利要求1所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，所述摄像头监控子***包括外部摄像头和二维码识别模块；通过外部摄像头获得测试平台的外部图像，使用二维码识别模块识别机器人的二维码位置和边界二维码的位置，再通过ROS操作***中的消息格式和坐标转换***发布每个个体机器人的位置信息。

6.如权利要求1所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，测试平台的控制中心为一个英特尔NUC7i7BNH迷你主机。

7.如权利要求6所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，测试平台的***环境是Ubuntu16.04，[email protected]*2；内存为8G；和/或，外部监控摄像头为华硕Xtion深度摄像头。

8.如权利要求1所述虚实结合的多机器人应用测试平台，其特征是，实验平台的大小为65厘米x75厘米；摄像头高度为80厘米。

9.一种利用权利要求1～8任一项所述虚实结合的多机器人应用测试平台进行虚实结合的多机器人应用测试的方法，包括如下步骤：

A1.搭建测试平台的硬件部分，包括：小型电脑、外部摄像头、可显示地图的大型液晶显示屏；液晶显示屏和外部摄像头均连接到小型电脑上；液晶显示屏作为小型电脑的显示器；

A2.调整显示地图的显示屏，根据需求选择实验环境空间大小；

A3.安装测试平台，包括：作为底层通讯模块的蓝牙通信子***；用于与多个机器人交互的分层级的基础控制子***；用户交互子***：包括地图绘制模块、用户交互界面、键盘控制模块和图案形成示例计算模块；内置多机器人应用模块：包括一个中心化同步的圆形成计算模块，用于验证平台的正确性和性能；测试平台还包括一个外部监控摄像头模块，用于实时监控实验平台的运行状况以及各个机器人位置；

A4.测试平台对机器人上的底层程序进行包装，使得底层***和通讯交互正常运行；

A5.在测试过程中，通过可视化界面直观地观察得到多机器人应用运行测试的状况。

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