专利名称：一种多自主机器人协同作业控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种对多机器人的协同控制技术。
背景技术：
随着机器人技术的日渐成熟，多个自主移动机器人在较大范围内协同工 作己成为可能。为了实现多机器人协同工作，必须对机器人进行协同控制，
以使机器人不发生任务冲突，提高工作效率；并且为机器人提供定位信息， 以使机器人能够在较大的范围内完成任务。从国内外研究情况看，多机器人 协同控制系统较多，但都侧重于机器人任务分配方法的研究，很少涉及多机 器人协同控制的研究。比较著名的多机器人协同控制系统是Parker L E.在 IEEE Transactions On Robotics and Automation, 1998， 14(2) ， p. 220-240 发表的《AIXICANCE: an architecture for fault tolerant multi-robot cooperation))介绍了Parker等人开发的多机器人分布式结构ALLICANCE系统， 该系统利用两个关键的数学模型焦躁和默许，作为激活开关选择相应的行 为，机器人通过相互评估各自的表现实现行为选择，实现任务分配和再分配， 也就是说于机器人是通过"隐式通信"的方式进行协调，机器人完成任务的 效率较低，也不能适应复杂任务的情况。另外由于系统只实现了多机器人合 作模式，没有涉及到机器人定位，也就是说系统没有为机器人设计定位方法, 机器人无法实现定位，该系统还不能真正意义上实现协同控制，因此该系统 不能用于在较大范围内多机器的协同控制。
发明内容
本发明针对现有技术中只能实现多机器人合作模式,不能真正意义上实现
协同控制，机器人完成任务的效率较低，不能适应复杂任务的缺陷，设计了 一种在无线传感器网络的支持下，能对多机器人进行协同控制的方法。其目 的在于使机器人在只配备无线传感器，不占用其他网络资源的情况下，在控 制中心统一调配下，实现协同作业。
解决上述技术问题所采用的技术方案是构建多机器人协同作业控制系 统，该系统包括，控制中心、无线网关、分布于作业现场的多个无线传感器 网络节点构成的无线传感器网络，配备无线传感器的机器人分布于作业现场。 机器人向无线传感器网络发出定位请求信息，无线传感器节点将自己的位置 信息发送给机器人，机器人根据多个无线传感器节点的位置，采用三边定位 的方法确定自己的位置。控制中心负责机器人的任务分配，建立任务的信息 档案，以及机器人信息档案，根据任务的状态、位置以及机器人的能力、位置， 对各个机器人进行协同作业任务分配，协同作业任务分配方案采用蚁群算法， 按照效率最优的原则进行集中式任务分配。无线网关通过以太网与控制中心 相连，将控制中心的任务分配方案以无线信号的方式发送给无线传感器网络， 无线传感器网络将任务分配方案广播给机器人，机器人按照分配的任务执行 任务。
本发明设计了一种在无线传感器网络的支持下，控制中心根据待执行任务 对象的状态、位置以及机器人的能力、所处位置，对各个机器人制定协同作 业任务分配方案，实现对多机器人进行协同控制。使机器人在只配备无线传 感器，不占用其他网络资源的情况下，在控制中心统一调配下实现协同作业。 本发明用于在较大范围内在真正意义上实现多机器人工协同作业。克服现有 技术多机器人协同作业效率较低，不能适应复杂任务的情况。
图1基于无线传感器网络的多机器人协同作业任务分配流程
具体实施例方式
多机器人协同作业控制系统包括，控制中心、无线网关、分布于作业现场 由多个无线传感器网络节点构成的无线传感器网络、配备无线传感器的机器 人分布于作业现场。机器人根据多个无线传感器节点的位置，采用三边定位 的方法进行定位确定机器人位置，控制中心负责机器人的任务分配，它根据 待执行任务对象的状态、位置以及机器人的能力、所处位置，对各个机器人 协同作业进行任务分配。无线网关通过以太网与控制中心相连，将控制中心 的任务分配方案通过无线传感器网络将任务分配方案广播给机器人，机器人 按照预先分配的任务执行任务。机器人在只配备无线传感器，不占用其他网 络资源的情况下，在控制中心统一调配下实现协同作业。
现结合附图对在线任务分配的实施过程进行具体描述，图1所示为基于无 线传感器网络的多机器人在线任务分配及定位方法流程图。
多自主机器人协同控制的实现方法如下
1、 在控制中心建立任务的信息档案和机器人的信息档案，对每个任务 唯一标识为7YZ)，预先输入执行任务的位置77>， 7P包括起始位置和目标位置， 采集待执行任务对象的质量W,由此建立任务的信息档案为7" = {77￡),77>,頂'!。根 据机器人的唯一标识WZ)，机器人的工作能力rC，机器人的当前位置rP (该位 置采用步骤2中的方法进行确定)，建立机器人的信息档案为"(,/A,C、W。
2、 控制中心通过布置于作业现场的无线传感器网络确定机器人的位 置坐标信息，以便进行合理任务分配。机器人收到位置确认命令后向无线传 感器节点发出位置确认请求信息，无线传感器节点接收到该位置确认请求信 息后同时向机器人发出射频信号和超声波信号，机器人检测接收上述信号，根
据接收到的射频信号和超声波信号的到达时间差、传感器的ID信息以及两种 信号的传播速度，计算到达该传感器的距离。若机器人接收到某传感器无线 射频信号和超声波信号的传播速度分别为cr.和cu ，该传感器发出的两种信号到 达机器人的时间分别为Tri和Tui;,，则控制中心算法模块调用下面公式计算机器人 到传感器节点的距离si为
<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
通过上述方法，机器人计算其与相邻三个传感器的距离，然后机器人根据 它与三个传感器的距离，查询存储器中预先存入的三个传感器的位置坐标， 采用三边测距的方法确定自身位置坐标，并通过无线传感器网络，机器人将 自己的位置坐标发送到控制中心，三边定位的基本方法如下
若三个传感器的位置分别为(x1, y1)，(x2, y2)， 和(x3, y3)， 机器人距三个传感器的 距离分别为s1, s2和s3，则可建立如下方程
<formula>formula see original document page 7</formula> (2 )
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
式中x和y分别为机器人的横纵坐标。解此三方程可得机器人位置坐标。将 该位置坐标存入机器人信息档案中。
3、 控制中心根据机器人的位置、机器人的工作能力、任务位置、任务 质量，采用离线任务分配方法，如蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法等， 按照效率最优的原则进行集中式任务分配，以下仅以蚁群算法为例描述任务 分配方法。
任务分配的基本思想是模拟蚂蚁觅食行为，由-一组蚂蚁决定分配哪个机 器人执行哪个任务。该方法首先根据机器人信息档案和任务信息档案，构建
机器人与任务的信息矩阵，构建蚁群及存储执行同一任务的一组机器人链表， 设置一个探索新方案和利用已有经验知识的相对重要性的参数作为权值，蚂 蚁根据预先设定的权值采取随机探索或利用已有知识的方法，根据信息素浓 度、能见度启发函数决定任务分配方案。具体步骤如下
步骤l:设置算法迭代次数max"当前算法迭代次数"c = 0 ;构建一个"x附维 信息素浓度矩阵P，其中"为任务数，w为机器人数，初始信息素浓度矩阵元 素;4r一p。，该信息素浓度矩阵用于记录任务与机器人之间的信息素浓度， P(W)是任务，与机器人r之间的信息素浓度；构建一个有""只蚂蚁的蚁群；并 构建w个链表，每个链表用于存储执行同一任务的一组机器人，链表《用于存 储执行任务f,的机器人；构建一个足够大的参数/H乍为任务的完成时间。
步骤2:定义一个未分配机器人集W，将所有机器人放入未分配机器人集 K;在蚁群中随机选择一个蚂蚁进行任务分配过程，该蚂蚁将选择一个机器人 作为对象进行分配。
步骤3:假设蚂蚁选择了机器人r，蚂蚁将决定机器人4皮分配去执行哪个 任务，，蚂蚁利用已有的经验知识exp/。,Y，任务c和机器人r之间的信息素浓度 P(c，小以及能见度启发函数f(c,小探索一个新方案explore，蚂蚁调用下式选择 机器人去执行任务<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，d(c，r)根据机器人距离任务起点位置的距离由下式给定，<formula>formula see original document page 8</formula>其中d(c，r)是机器人r距离任务c起点位置的距离。能见度启发函数表明蚂 蚁选择距离机器人较近的任务。
/^>0)分别是信息素启发因子和能见度启发因子，用于调节信息 素和能见度的相对重要性。设置参数M乍为确定采用所探索新方案和利用已有 经验知识的权值，^是分布于
之间的随机数。g。(0^。d)是一个参数用以 决定探索新方案和利用已有经验知识的相对重要性的参数。《。越小表示蚂蚁越 有可能做出随机选择。S是根据式(7)选择的随机变量，该变量给出蚂蚁选 择任务，的概率。简言之，当？W。，根据式(5)选择任务；否则根据式(7) 选择任务。
^w,r)胁)〗72:[/4楊,or (7)
其中u表示属于任务集合r的任务"
如果蚂蚁选择执行任务，，它将在任务f和机器人,.之间释放一定的信息
素，那么任务f和机器人r之间信息素浓度为
其中~表示蚂蚁释放的信息素浓度。 将机器人r存储于任务f的机器人链表中。
为了模拟信息素的挥发，在搜索任务分配方案的同时，根据式(9)修改 任务与机器人之间的信息素浓度。
p。v)=(l-p)p"v)+pp。 (9) 其中P(0^d)是模拟信息素挥发的一个参数。
步骤4:将机器人"从W中删除，若"①，从集合^中随机选择另一个机器 人，转向步骤3;否则，表明所有的机器人都被分配用于执行任务，转向步骤8。
步骤5:此时，机器人链表",中存储的机器人就是被分配执行该任务,,的 机器人，根据式(10)计算每个任务的完成时间，并找出完成时间最长的任
务的完成时间tmax作为所有任务的完成时间。
<formula>formula see original document page 10</formula> (10)
其中v是机器人的移动速度。
若^"/， /"L，记录此时的任务分配方案。
步骤6: "c = "c + l;若""max,'，将所有机器人重新放入集合W中，随机选 择另一只蚂蚁，清空机器人链表，转向步骤3，开始新一轮的任务分配。否则 结束任务分配算法。
此时记录的任务分配方案就是最终的任务分配方案。
4、 控制中心通过无线网关将任务分配方案发送到无线传感器网络， 无线传感器网络将任务广播给机器人。
5、 机器人接收到任务后将会把指定位置的任务搬运到目标位置，在 执行搬运任务的过程中，将随时根据需要借助无线传感器进行定位，以实现 将任务运输到指定位置的目的。
本发明根据待执行任务的状态、位置以及机器人的能力、位置，对各个 机器人进行任务分配调度，该系统能用于在较大范围内多机器工作环境卩在 真正意义上实现协同控制。
权利要求
1、一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于，作业现场的机器人根据多个无线传感器节点的位置，采用三边定位方法进行定位确定自身位置，并将其位置发送到控制中心，控制中心建立任务的信息档案，以及机器人信息档案，控制中心根据待执行任务对象的信息档案以及机器人的信息档案，按照效率最优的原则进行集中式任务分配，对各个机器人制定协同作业任务分配方案，控制中心通过无线传感器网络将任务分配方案广播给机器人，机器人按照任务分配方案执行任务。
2、 根据权利要求1所述的一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于，所述三边定位方法具体包括，机器人根据无线网络传感器发射的射频信号和超声波信号的到达时间差j;和7;,以及传播速度c,.和c,,，调用公式a =(乙-7;)cA7b-q)计算到达该传感器的距离^然后机器人根据与三个传感器的距离，三个传感器的位置坐标，确定自身位置坐标。
3、 根据权利要求1所述的一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于， 所述协同作业任务分配方案采用蚁群算法。
4、 根据权利要求1所述的一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于，根据任务的唯一标识7TO、任务的位置7P、任务的质量W建立任务的信息档案 r = {77AW，};根据机器人的唯一标识WZ)、机器人的工作能力,c、机器人的当 前位置w建立机器人的信息档案为r = {wzvc,^ 。
5、 根据权利要求3所述的一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于，所述蚁群算法具体包括根据机器人信息档案和任务信息档案，构建机器人 与任务的信息矩阵；构建蚁群及存储执行同一任务的一组机器人链表；设置一个探索新方案和利用已有经验知识的相对重要性的参数作为权值，根据权 值、信息素浓度、能见度启发函数决定任务分配方案。
6、 根据权利要求5所述的一种多自主机器人协同作业控制方法，其特征在于， 根据机器人距离任务起点位置的距离确定信息素浓度。
7、 一种多自主机器人协同作业控制系统，该系统包括，控制中心、无线网关、 无线传感器网络、配备无线传感器的多个机器人，无线传感器网络由无线网 关通过以太网与控制中心相连，其特征在于，机器人根据多个无线传感器网 络中节点的位置，采用三边定位方法进行定位确定自身位置，并将其位置发 送到控制中心，控制中心建立任务的信息档案，并根据机器人位置建立机器 人信息档案，根据任务的信息档案、机器人信息档案按照效率最优原则进行 集中式任务分配，对各个机器人制定协同作业任务分配方案，并通过无线传感 器网络将任务分配方案广播给机器人，机器人按照任务分配方案执行任务。
8、 根据权利要求7所述的多自主机器人协同作业控制系统，其特征在于，所述三边定位方法具体包括，机器人根据无线网络传感器发射的射频信号和超 声波信号的到达时间差？;.和^以及传播速度c,和^ ，调用公式 A ==(乙-D人-c )计算到达该传感器的距离S,，然后机器人根据与三个传 感器的距离，三个传感器的位置坐标，确定自身位置坐标。
9、 根据权利要求5所述的多自主机器人协同作业控制系统，其特征在于，所 述协同作业任务分配方案采用蚁群算法。
10、 根据权利要求7所述的多自主机器人协同作业控制系统，其特征在于，控制中心根据任务的唯一标识77Z)、任务的位置3T、任务的质量7W建立任务的 信息档案7" = {770,77>,7^;根据机器人的唯一标识Wfl、机器人的工作能力rC、机
全文摘要
本发明请求保护一种多自主机器人协同作业控制方法，涉及自动控制领域。本发明针对现有技术多机器人不能实现真正意义上的协同控制，效率较低，不能适应复杂任务的缺陷，设计了一种在无线传感器网络的支持下，控制中心根据待执行任务对象的状态、位置以及机器人的能力、所处位置，对各个机器人制定协同作业任务分配方案，实现对多机器人进行协同控制。其目的在于使机器人在只配备无线传感器，不占用其他网络资源的情况下，在控制中心统一调配下实现协同作业。本发明用于在较大范围内在真正意义上实现多机器人工协同作业。
文档编号G05B19/418GK101364110SQ20081023281
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者冯辉宗, 锐 李, 李银国, 郑太雄, 郭文浩 申请人:重庆邮电大学