CN116810801A - 一种多模块机器人的同步控制方法、***、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模块机器人的同步控制方法、***、设备及介质，涉及多模块机器人技术领域。同步控制***包括：总控单元、通信单元、监控单元、时钟单元、定位单元、规划单元和用户界面。总控单元用于同步并发送指令，构建环境地图，通信单元用于网络连接，监控单元用于将自检结果发送给总控单元，时钟单元用于将时钟信息发送给总控单元，定位单元用于获得定位信息，规划单元用于使用规划方法规划多模块机器人各模块的动作路径，用户界面用于显示定位，运行状态及环境地图。本发明的技术方案实现对机器人各模块的精准定位和路径规划，从而在执行任务时能够更加智能地选择路径和避开障碍物，提高了任务执行的准确性和安全性。

Description

一种多模块机器人的同步控制方法、***、设备及介质

技术领域

本发明属于多模块机器人技术领域，具体涉及一种多模块机器人的同步控制方法、***、设备及介质。

背景技术

在现代工业和服务领域，多模块机器人***的应用日益广泛，它们可以在生产线上协同操作、在危险环境中执行任务、在医疗领域提供辅助等。

然而，多模块机器人的协同控制面临着一些挑战，包括时钟同步、定位精度、任务协同等问题。

现有技术CN108942931B中，提供了一种多机器人实时同步运动的方法，对每台机器人进行DID大小编排，实时指定其中一DID值的机器人为主参考对象，并广播同步动作的数据信息，其他机器人以指定的机器人为主参考对象，实时获取该指定的机器人的动作数据信息，进行同步动作，如果有机器人动作与指定的机器人的动作不一致，则自动执行协调方法，如果当期指定的机器人出现故障，则自动退出DID值，重新选定其中的另外一DID值的机器人为主参考对象后，循环执行上述步骤。然而，如果有机器人动作与指定机器人的动作不一致，会自动执行协调方法，重新获取指定机器人的动作数据信息并重新进行同步动作。然而，协调方法的细节并未明确说明，可能导致不同机器人之间的动作协调处理不够精确，影响整体的同步性能，可能影响方法在复杂环境下的稳定性、实时性和准确性。

综合考虑到现有技术中仍存在的一些问题，如：1、时钟同步问题，多模块机器人***中，不同模块的时钟可能存在微小的差异，这可能导致模块之间的指令执行不同步，影响整体性能。解决时钟同步问题是实现多模块机器人协同控制的关键；2、定位精度问题，模块机器人***需要准确的定位信息，以便确定各模块的位置关系和运动状态，在复杂的环境中，传感器误差、环境变化等因素可能导致定位精度下降；3、网络通信问题，模块机器人需要通过无线通信来实现协同控制，稳定的通信网络对于指令传递、信息交换以及状态更新至关重要；4、环境感知和路径规划问题，各种任务中，机器人需要感知周围环境并规划适当的路径以完成任务，环境中的障碍物、未知区域等都可能影响路径规划的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，用于解决现有技术中涉及网络通信、时钟同步、定位方式、环境感知和路径规划的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种多模块机器人同步控制***，该同步控制***包括：总控单元、通信单元、监控单元、时钟单元、定位单元、规划单元和用户界面；

总控单元，用于接收时钟信息，同步并发送指令，根据定位信息及环境信息，构建环境地图；

通信单元，用于各模块、各单元之间的网络连接；

监控单元，用于接收多模块机器人各模块的自检信息，并将自检结果发送给总控单元；

时钟单元，用于获取网络服务器时钟信息，接收硬件时钟信息，并将时钟信息发送给总控单元；

定位单元，用于获得各模块的定位信息；

规划单元，用于接收总控单元构建的地图信息及定位信息，使用规划方法规划多模块机器人各模块的动作路径；

用户界面，用于显示多模块机器人各模块的定位，运行状态及环境地图。

本发明还提供了一种多模块机器人的同步控制方法，包括如下步骤：

S1：总控单元开机，多模块机器人各模块进行自检，获取无线通信协议，获取硬件时钟信息；

S2：通信单元建立多模块机器人各模块、各单元之间的网络连接；

S3：监控单元接收来自多模块机器人各模块的自检信息，将自检结果发送给总控单元；

S4：时钟单元接收来自多模块机器人各模块的硬件时钟信息，并接收网络时间服务器的时钟信息，将各模块硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息发送给总控单元；

S5：总控单元接收各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息，通过指令同步方法，调节对不同时钟信息下的机器人各模块的指令下发时间，以便同步下达指令，机器人各模块同步开始任务，这是实现多模块机器人同步控制***的重要步骤；

S6：定位单元通过室内定位方法确定多模块机器人各模块的定位信息，各模块将定位信息发送给总控单元，总控单元向多模块机器人各模块发送指令，使用激光传感器扫描各模块周围环境信息，各模块将环境信息发送给监控单元；

S7：监控单元将多模块机器人各模块的周围环境信息发送给总控单元，总控单元通过地图构建方法，得到多模块机器人周围的环境地图；

S8：总控单元将环境地图及多模块机器人各模块的定位信息发送给规划单元，规划单元通过规划方法，进行路径规划，得到规划信息，将规划信息发送给总控单元；

S9：总控单元将各模块的规划信息通过指令同步方法发送到多模块机器人的各模块，各模块开始根据规划信息进行动作。定位单元实时将各模块的定位信息反馈给总控单元。

优选地，指令同步方法的步骤包括：

S5.1：总控单元接收来自各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息；

S5.2：对于每个模块，计算其硬件时钟与网络时间服务器时钟之间的时间差，表示为Δt。例如，对于模块A，其中，/>为模块A的硬件时钟，T_it为网络时间服务器时钟；

S5.3：计算所有模块的时间差的平均值，即Δt_avg＝(Δt_A+Δt_B+...+Δt_N)/N，其中，Δt_avg为时间差的平均值，N表示模块的数量；

S5.4：对于每个模块，计算指令下发时间T_DT＝T_now+Δt_avg，这确保了所有模块收到的指令下发时间都在一个近似的时间窗口内，实现了同步。其中，T_DT为指令下发时间，T_now为当前时间。

优选地，室内定位方法的步骤包括：

设其中一个模块为待定位模块，其坐标为(x，y)，周围的模块坐标为(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3；

之后，进行距离估计，记录接收模块的接收激光功率，两者之间存在差值，在激光的传播中，可认为差值即是传播损耗，选用激光损耗模型如下：

其中，d为接收模块与发送模块之间的距离，d₀表示参照距离，选择其为1m，P_d为接收模块得到的激光功率，P_d0为参考距离处的激光功率，ε_σ为高斯白噪声，其均值为零，n为传输长度与损耗的比例因子，通常值在2～5之间，若以求得激光发送模块与激光接收模块间的距离，所得式如下：

之后，采用三边定位方法，设接收激光的机器人模块为A，B，C，P为发射激光的机器人模块，其坐标为(x，y)，P到A，B，C的距离为d_A，d_B，d_C，以A，B，C为圆心，距离为半径，作圆，可求得一个交点，此点即为P的位置，建立方程组如下：

之后对方程组进行求解，得到P的坐标为：

优选地，提供一种地图构建方法，步骤包括：

S7.1：对收集到的数据进行预处理，去除噪声、滤波和平滑操作，以提高数据质量，若滤波后的有效数据较少，通过插值填充缺失的数据点；

S7.2：将处理后的数据点映射到栅格地图上，假设栅格地图的分辨率为Δx，Δy，其中Δx和Δy表示栅格的宽度和高度；

S7.3：对于数据点(x，y)，将其坐标转换为栅格坐标(i，j)，转换公式为i＝其中函数f为向下取整函数；

S7.4：对于映射到栅格地图上的数据点，如果它们表示障碍物，则将相应的栅格标记为障碍物，并在栅格地图上更新；

S7.5：最后，使用二维数组或矩阵表示栅格地图，每个元素表示一个栅格的状态，例如使用0表示无障碍，1表示障碍物。便于栅格地图的数字化，方便了规划模块对地图进行求解规划。

优选地，规划方法的步骤包括：

S8.1：单元使用栅格化的地图进行环境建模，地图划分为多个栅格，构造地图矩阵G；

地图中，每个区域具有相应的位置坐标形如(x，y)，从地图矩阵的左、上数起，给每个栅格标定一个编号，为1，2，3，...，25，由此，编号与坐标的关系表示如下：

其中，m为求余函数，c为取整函数，N表示地图矩阵每一行的编号数量，N_i为第i个编号。

S8.2：为多模块机器人的每个模块绘制任务点，将每个模块的当前坐标设置为起始点，设置最大迭代次数N，用于限制当前方法的最大迭代次数；

S8.3：每个机器人模块将按照一定的规则前进，在初始阶段，机器人按照相同的概率向临近的坐标点前进，为减少转弯次数及到达任务点的步数，本申请实施例中采用优化因子，式为：其中，y_i-y_E表示当前坐标点i到任务点的纵坐标距离，d_iE表示当前坐标点到任务点的距离，由此优化因子，使机器人模块向更易到达任务点的坐标前进，直至所有机器人模块都到达任务点；

S8.4：机器人模块到达一次任务点并将当前坐标点作为起始点，采用综合指标作为评估当前路径的质量指标，综合指标结合了机器人模块到达任务点的步数及转弯次数，式为：K＝α·S+β·T，其中，S代表步数，T代表转弯次数，α，β代表权重，用于平衡步数和转弯次数的影响。当综合指标小于某一临界值，将更新优化因子，回到步骤S8.3，将迭代次数加一，若未达到最大迭代次数，则继续规划下一次的路径；

S8.5：当达到最大迭代次数，则找出了机器人模块的最佳规划路径，将规划信息发送给总控单元。

本发明还提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器，存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现上述多模块机器人同步控制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行上述多模块机器人同步控制方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、地图构建方法和路径规划方法使得机器人能够准确感知自身位置以及周围环境，从而在执行任务时能够更加智能地选择路径和避开障碍物，同时为路径规划和任务执行提供了更多的信息支持，提高了任务执行的准确性和安全性。

2、定位单元的室内定位方法，有效距离长，受室内布局和灯光影响小，不易受到外部信号噪声干扰，稳定性较强。

3、专有网络协议不包含多余信息或功能，减少了部署的复杂性、数据传输的开销，确保协议结构、数据格式和功能与多模块机器人的特性和用途相匹配。

4、时钟同步和指令同步方法实现了多模块机器人各模块之间的高度同步，确保了机器人在执行任务时能够紧密协同，避免因时钟不同步而导致的误差和延迟，从而有效提高了机器人的整体性能和工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明多模块机器人的同步控制***的模块图；

图2示出了本发明多模块机器人的同步控制方法步骤图；

图3示出了本发明多模块机器人的指令同步方法步骤图；

图4示出了本发明多模块机器人的地图构建方法步骤图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1所示，本实施例提供一种多模块机器人同步控制***，该同步控制***包括：总控单元、通信单元、监控单元、时钟单元、定位单元、规划单元和用户界面。

总控单元用于接收时钟信息，同步并发送指令，根据定位信息及环境信息，构建环境地图。定位信息包括多模块机器人各模块的定位，环境信息包括各模块激光传感器扫描的结果。

通信单元用于各模块、各单元之间的网络连接。

监控单元用于接收多模块机器人各模块的自检信息，并将自检结果发送给总控单元。自检信息包括当前模块的运行状态，自检结果包括运行正常及运行出错。

时钟单元用于获取网络服务器时钟信息，接收硬件时钟信息，并将时钟信息发送给总控单元。

定位单元用于获得各模块的定位信息。

规划单元用于接收总控单元构建的地图信息及定位信息，使用规划方法规划多模块机器人各模块的动作路径。地图信息包括经过总控单元栅格化的地图。

用户界面用于显示多模块机器人各模块的定位，运行状态及环境地图。

本实施例的有益效果有，接收时钟信息，同步并发送指令，根据定位信息及环境信息，构建环境地图，各模块、各单元之间形成网络连接，接收多模块机器人各模块的自检信息，获取网络服务器时钟信息，接收硬件时钟信息，使用规划方法规划多模块机器人各模块的动作路径，并能够通过用户界面显示多模块机器人各模块的定位，运行状态及环境地图。

实施例2

参阅图2所示，本实施例提供的多模块机器人同步控制方法，步骤如下：

S1：总控单元开机，多模块机器人各模块进行自检，获取无线通信协议，获取硬件时钟信息。

其中，无线通信协议指多模块机器人各模块及各单元间，通过通信单元通信时所使用的通信协议。

S2：通信单元建立多模块机器人各模块、各单元之间的网络连接；

S3：监控单元接收来自多模块机器人各模块的自检信息，将自检结果发送给总控单元。

其中多模块机器人的自检实时进行，并将自检结果反馈给总控单元。

S4：时钟单元接收来自多模块机器人各模块的硬件时钟信息，并接收网络时间服务器的时钟信息，将各模块硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息发送给总控单元；

S5：总控单元接收各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息，通过指令同步方法，调节对不同时钟信息下的机器人各模块的指令下发时间，以便同步下达指令，机器人各模块同步开始任务，这是实现多模块机器人同步控制***的重要步骤。

S6：定位单元通过室内定位方法确定多模块机器人各模块的定位信息，各模块将定位信息发送给总控单元，总控单元向多模块机器人各模块发送指令，使用激光传感器扫描各模块周围环境信息，各模块将环境信息发送给监控单元。

S7：监控单元将多模块机器人各模块的周围环境信息发送给总控单元，总控单元通过地图构建方法，得到多模块机器人周围的环境地图。

S8：总控单元将环境地图及多模块机器人各模块的定位信息发送给规划单元，规划单元通过规划方法，进行路径规划，得到规划信息，将规划信息发送给总控单元。

S9：总控单元将各模块的规划信息通过指令同步方法发送到多模块机器人的各模块，各模块开始根据规划信息进行动作。定位单元实时将各模块的定位信息反馈给总控单元。

本实施例提供的多模块机器人同步控制方法，有益效果有，时钟同步和指令同步方法实现了多模块机器人各模块之间的高度同步，确保了机器人在执行任务时能够紧密协同，避免因时钟不同步而导致的误差和延迟，从而有效提高了机器人的整体性能和工作效率。定位单元的室内定位方法结合地图构建方法和路径规划方法，本发明实施例能够实现对机器人各模块的精准定位和路径规划，使得机器人能够准确感知自身位置以及周围环境，从而在执行任务时能够更加智能地选择路径和避开障碍物，提高了任务执行的准确性和安全性。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，提供了一种专有通信协议，现有通用通信协议可能会包含多余信息或功能，为减少部署的复杂性、数据传输的开销，确保协议结构、数据格式和功能与多模块机器人的特性和用途相匹配，本申请实施例公开了一种专有通信协议，此专有通信协议每段通信的格式包括协议头和协议内容，其中协议头为固定长度，协议内容为可变长度。协议头包括信息类型和内容长度，信息类型包括指令信息和时钟信息，内容长度定义为，若信息类型为指令信息，内容长度为实际指令长度，若信息类型为时钟信息，内容长度固定为10个字符。协议内容根据信息类型存在不同的格式，若信息类型为指令信息，协议内容则是指令字符串，若信息类型为时钟信息，协议内容则是时间戳字符串。作为一种可能的实现，现将此专有通信协议的示例信息表示如下：

协议头	协议内容
		0x01 0x00 0x0B	MOVE FORWARD 10

其中，信息类型为0x01(指令信息)，内容长度为0x00 0x0B(11字节)，协议内容为MOVE FORWARD 10(移动指令，向前移动10单位)。

协议头	协议内容
		0x02 0x00 0x0A	1628589310

其中，信息类型为0x02(时钟信息)，内容长度为0x00 0x0A(10字节)，协议内容为1628589310(时间戳信息，表示当前时钟)；

参阅图3所示，本实施例在实施例2的基础上，提供了一种指令同步方法，

S5.1：总控单元接收来自各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息。

S5.2：对于每个模块，计算其硬件时钟与网络时间服务器时钟之间的时间差，表示为Δt。例如，对于模块A，其中，/>为模块A的硬件时钟，T_it为网络时间服务器时钟。

S5.3：计算所有模块的时间差的平均值，即Δt_avg＝(Δt_A+Δt_B+...+Δt_N)/N，其中，Δt_avg为时间差的平均值，N表示模块的数量。

S5.4：对于每个模块，计算指令下发时间T_DT＝T_now+Δt_avg，这确保了所有模块收到的指令下发时间都在一个近似的时间窗口内，实现了同步。其中，T_DT为指令下发时间，T_now为当前时间。

作为示例：

T_it＝1597233603

Δt_A＝-3s

T_it＝1597233603

Δt_B＝-2s

此时，

Δt_avg＝-2.5s

T_now＝1597233605

则，

由此，主控单元便可调节对不同模块的指令下发时间。

本实施例在实施例2的基础上，提供了一种室内定位方法，由于激光稳定性强，不易受外界可见光及电磁环境影响，并节约硬件成本，可充分利用多模块机器人各模块都具备的激光传感器，在至少存在四个机器人模块时，四个机器人模块可互相定位，方法步骤如下：

设其中一个模块为待定位模块，其坐标为(x，y)，周围的模块坐标为(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3。

之后，进行距离估计，由于机器人各模块激光发射功率固定，记录接收模块的接收激光功率，两者之间存在差值，在激光的传播中，可认为差值即是传播损耗，本申请实施例中选用激光损耗模型如下：

其中，d为接收模块与发送模块之间的距离，d₀表示参照距离，选择其为1m，P_d为接收模块得到的激光功率，P_d0为参考距离处的激光功率，ε_σ为高斯白噪声，其均值为零，n为传输长度与损耗的比例因子，通常值在2～5之间，若以求得激光发送模块与激光接收模块间的距离，所得式如下：

之后，采用三边定位方法，设接收激光的机器人模块为A，B，C，P为发射激光的机器人模块，其坐标为(x，y)，P到A，B，C的距离为d_A，d_B，d_C，以A，B，C为圆心，距离为半径，作圆，可求得一个交点，此点即为P的位置，建立方程组如下：

之后对方程组进行求解，得到P的坐标为：

最后便可获得一个模块的坐标，同样地，其余模块发射激光，均可获得自身坐标。

参阅图4所示，本实施例在实施例2的基础上，还提供了一种地图构建方法，对于地图构建方法，总控单元根据监控单元发送的环境信息，得到一系列数据点，步骤如下：

S7.1：对收集到的数据进行预处理，去除噪声、滤波和平滑操作，以提高数据质量，若滤波后的有效数据较少，通过插值填充缺失的数据点。

S7.2：将处理后的数据点映射到栅格地图上，假设栅格地图的分辨率为Δx，Δy，其中Δx和Δy表示栅格的宽度和高度。

S7.3：对于数据点(x，y)，将其坐标转换为栅格坐标(i，j)，转换公式为 其中函数f为向下取整函数。

S7.4：对于映射到栅格地图上的数据点，如果它们表示障碍物，则将相应的栅格标记为障碍物，并在栅格地图上更新。

S7.5：最后，使用二维数组或矩阵表示栅格地图，每个元素表示一个栅格的状态，例如使用0表示无障碍，1表示障碍物。便于栅格地图的数字化，方便了规划模块对地图进行求解规划。

本实施例在实施例2的基础上，还提供了一种规划方法，步骤如下：

S8.1：单元使用栅格化的地图进行环境建模，地图划分为多个栅格，构造地图矩阵G，例如：

地图中，每个区域具有相应的位置坐标形如(x，y)，从地图矩阵的左、上数起，给每个栅格标定一个编号，为1，2，3，...，25，由此，编号与坐标的关系表示如下：

其中，m为求余函数，c为取整函数，N表示地图矩阵每一行的编号数量，N_i为第i个编号。

S8.2：为多模块机器人的每个模块绘制任务点，将每个模块的当前坐标设置为起始点，设置最大迭代次数N，用于限制当前方法的最大迭代次数。

S8.3：每个机器人模块将按照一定的规则前进，在初始阶段，机器人按照相同的概率向临近的坐标点前进，为减少转弯次数及到达任务点的步数，本申请实施例中采用优化因子，式为：其中，y_i-y_E表示当前坐标点i到任务点的纵坐标距离，d_iE表示当前坐标点到任务点的距离，由此优化因子，使机器人模块向更易到达任务点的坐标前进，直至所有机器人模块都到达任务点。

S8.4：机器人模块到达一次任务点并将当前坐标点作为起始点，本申请实施例中采用综合指标作为评估当前路径的质量指标，综合指标结合了机器人模块到达任务点的步数及转弯次数，式为：K＝α·S+β·T，其中，S代表步数，T代表转弯次数，α，β代表权重，用于平衡步数和转弯次数的影响。当综合指标小于某一临界值，将更新优化因子。本申请实施例中，临界值为10，将权重α设为1，β设为2，假设机器人模块到达任务点的步数为12，转弯4次，则，综合指标K＝α·S+β·T＝20，大于临界值，因此，更新优化因子，回到步骤S8.3，将迭代次数加一，若未达到最大迭代次数，则继续规划下一次的路径。

S8.5：当达到最大迭代次数，则找出了机器人模块的最佳规划路径，将规划信息发送给总控单元。

本实施例通过对创建一种专有通信协议，有益效果有，协议不包含多余信息或功能，减少了部署的复杂性、数据传输的开销，确保协议结构、数据格式和功能与多模块机器人的特性和用途相匹配。

本实施例通过使用一种指令同步方法，有益效果有，实现了多模块机器人各模块之间的高度同步，同步性能的提升确保了机器人在执行任务时能够紧密协同，避免因时钟不同步而导致的误差和延迟，从而有效提高了机器人的整体性能和工作效率。

本实施例通过对室内定位方法的改进，未采用现有方法的红外线定位技术，蓝牙定位技术，有益效果有，有效距离长，受室内布局和灯光影响小，不易受到外部信号噪声干扰，稳定性较强。

本实施例通过提供一种地图构建方法，有益效果有，使得机器人能够更好地理解周围环境，做出更加智能的决策，同时为路径规划和任务执行提供了更多的信息支持。

本实施例通过提供一种规划方法，有益效果有，实现对机器人各模块的精准定位和路径规划，使得机器人能够准确感知自身位置以及周围环境，从而在执行任务时能够更加智能地选择路径和避开障碍物，提高了任务执行的准确性和安全性。

实施例4

本实施例提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器，存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现多模块机器人的同步控制方法。

本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行多模块机器人的同步控制方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可做很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种多模块机器人的同步控制***，其特征在于，包括：总控单元、通信单元、监控单元、时钟单元、定位单元、规划单元和用户界面；

总控单元，用于接收时钟信息，同步并发送指令，根据定位信息及环境信息，构建环境地图；

通信单元，用于各模块、各单元之间的网络连接；

监控单元，用于接收多模块机器人各模块的自检信息，并将自检结果发送给总控单元；

时钟单元，用于获取网络服务器时钟信息，接收硬件时钟信息，并将时钟信息发送给总控单元；

定位单元，用于获得各模块的定位信息；

规划单元，用于接收总控单元构建的地图信息及定位信息，使用规划方法规划多模块机器人各模块的动作路径；

用户界面，用于显示多模块机器人各模块的定位，运行状态及环境地图。

2.一种多模块机器人的同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：总控单元开机，多模块机器人各模块进行自检，获取无线通信协议，获取硬件时钟信息；

S2：通信单元建立多模块机器人各模块、各单元之间的网络连接；

S3：监控单元接收来自多模块机器人各模块的自检信息，将自检结果发送给总控单元；

S4：时钟单元接收来自多模块机器人各模块的硬件时钟信息，并接收网络时间服务器的时钟信息，将各模块硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息发送给总控单元；

S5：总控单元接收各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息，通过指令同步方法，调节对不同时钟信息下的机器人各模块的指令下发时间，以便同步下达指令，机器人各模块同步开始任务；

S6：定位单元通过室内定位方法确定多模块机器人各模块的定位信息，各模块将定位信息发送给总控单元，总控单元向多模块机器人各模块发送指令，使用激光传感器扫描各模块周围环境信息，各模块将环境信息发送给监控单元；

S7：监控单元将多模块机器人各模块的周围环境信息发送给总控单元，总控单元通过地图构建方法，得到多模块机器人周围的环境地图；

S8：总控单元将环境地图及多模块机器人各模块的定位信息发送给规划单元，规划单元通过规划方法，进行路径规划，得到规划信息，将规划信息发送给总控单元；

S9：总控单元将各模块的规划信息通过指令同步方法发送到多模块机器人的各模块，各模块开始根据规划信息进行动作；定位单元实时将各模块的定位信息反馈给总控单元。

3.根据权利要求2所述的一种多模块机器人的同步控制方法，其特征在于，步骤S5指令同步方法的步骤包括：

S5.1:总控单元接收来自各模块的硬件时钟信息和网络时间服务器的时钟信息；

S5.2：对于每个模块，计算其硬件时钟与网络时间服务器时钟之间的时间差，表示为Δt；对于模块A，其中，/>为模块A的硬件时钟，T_it为网络时间服务器时钟；

S5.3：计算所有模块的时间差的平均值，即Δt_avg＝(Δt_A+Δt_B+…+Δt_N)/N，其中，Δt_avg为时间差的平均值，N表示模块的数量；

S5.4：对于每个模块，计算指令下发时间T_DT＝T_now+Δt_avg，这确保了所有模块收到的指令下发时间都在一个近似的时间窗口内，实现了同步；其中，T_DT为指令下发时间，T_now为当前时间。

4.根据权利要求2所述的一种多模块机器人的同步控制方法，其特征在于，步骤S6室内定位方法的步骤包括：

其中一个模块为待定位模块，其坐标为(x,y)，周围的模块坐标为(x_i,y_i)，其中i＝1,2,3；

之后，进行距离估计，记录接收模块的接收激光功率，两者之间存在差值，在激光的传播中，可认为差值即是传播损耗，选用激光损耗模型如下：

其中，d为接收模块与发送模块之间的距离，d₀表示参照距离，选择其为1m，P_d为接收模块得到的激光功率，P_d0为参考距离处的激光功率，ε_σ为高斯白噪声，其均值为零，n为传输长度与损耗的比例因子，通常值在2～5之间，若以求得激光发送模块与激光接收模块间的距离，所得式如下：

之后，采用三边定位方法，设接收激光的机器人模块为A,B,C，P为发射激光的机器人模块，其坐标为(x,y)，P到A,B,C的距离为d_A,d_B,d_C，以A,B,C为圆心，距离为半径，作圆，可求得一个交点，此点即为P的位置，建立方程组如下：

之后对方程组进行求解，得到P的坐标为：

5.根据权利要求2所述的一种多模块机器人的同步控制方法，其特征在于，步骤S7地图构建方法的步骤包括：

S7.1：对收集到的数据进行预处理，去除噪声、滤波和平滑操作，以提高数据质量，若滤波后的有效数据较少，通过插值填充缺失的数据点；

S7.2：将处理后的数据点映射到栅格地图上，假设栅格地图的分辨率为Δx,Δy，其中Δx和Δy表示栅格的宽度和高度；

S7.3：对于数据点(x,y)，将其坐标转换为栅格坐标(i,j)，转换公式为 其中函数f为向下取整函数；

S7.4：对于映射到栅格地图上的数据点，如果它们表示障碍物，则将相应的栅格标记为障碍物，并在栅格地图上更新；

S7.5：最后，使用二维数组或矩阵表示栅格地图，每个元素表示一个栅格的状态。

6.根据权利要求2所述的一种多模块机器人的同步控制方法，其特征在于，步骤S8规划方法的步骤包括：

S8.1：单元使用栅格化的地图进行环境建模，地图划分为多个栅格，构造地图矩阵G；

地图中，每个区域具有相应的位置坐标形如(x,y)，从地图矩阵的左、上数起，给每个栅格标定一个编号，为1,2,3,…,i，由此，编号与坐标的关系表示如下：

其中，m为求余函数，c为取整函数，N表示地图矩阵每一行的编号数量，N_i为第i个编号；

S8.2：为多模块机器人的每个模块绘制任务点，将每个模块的当前坐标设置为起始点，设置最大迭代次数N，用于限制当前方法的最大迭代次数；

S8.3：每个机器人模块将按照一定的规则前进，在初始阶段，机器人按照相同的概率向临近的坐标点前进，为减少转弯次数及到达任务点的步数，优化因子的计算公式为：其中，y_i-y_E表示当前坐标点i到任务点的纵坐标距离，d_iE表示当前坐标点到任务点的距离，由此得到优化因子，使机器人模块向更易到达任务点的坐标前进，直至所有机器人模块都到达任务点；

S8.4：机器人模块到达一次任务点并将当前坐标点作为起始点，采用综合指标作为评估当前路径的质量指标，综合指标结合了机器人模块到达任务点的步数及转弯次数，式为：K＝α·S+β·T，其中，S代表步数，T代表转弯次数，α,β代表权重，用于平衡步数和转弯次数的影响；当综合指标小于某一临界值，将更新优化因子，回到步骤S8.3，将迭代次数加一，若未达到最大迭代次数，则继续规划下一次的路径；

S8.5：当达到最大迭代次数，则找出了机器人模块的最佳规划路径，将规划信息发送给总控单元。

7.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器，存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求2至6中任一项所述的一种多模块机器人同步控制方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行权利要求2至6中任一项所述的一种多模块机器人同步控制方法。