基于北斗导航的突发灾害侦察机器人群组编队设计

     目前,国内外研制出各种各样的救援机器人系统，它们可以代替人员对具有潜在危险的区域进行智能监测。北斗卫星导航系统除全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务,并兼具短报文通信能力,通过卫星导航终端设备可及时报告所处位置和受灾情况,提高抢险救灾时效,减少人民生命财产损失。所以本文方案旨在研制开发一套多任务调度智能导航侦查机器人群组,该系统基于北斗导航定位,无线通讯等相关技术,实现侦察机器人在上位机的调度之下,自动行进到发生突发灾害的地点,并实时与上位机进行无线通讯,传回自身位置、灾害发生现场图像的信息。

 

1　北斗导航系统

　　北斗作为我国自主研发的卫星导航定位系统，具有世界上其余三个导航系统所没有的双向通信功能,它可以在地震造成通讯中断、道路损毁的情况下为抗震救灾提供可靠的导航定位和通信保障。

1.1　北斗通信功能

　　利用北斗系统提供的数据,指示移动机器人载体（小车）的朝向、转动角速度、角加速度，确定机器人载体在世界坐标中的地理位置。定时从GIS系统中获取移动监控目标的坐标，然后显示在地图上,以便于在寻找事故伤亡人员时能进行准确定位。

　　卫星接收终端接入北斗系统，接收北斗系统提供的经度、纬度、高度、时间、速度、方向和精度等信息,终端将这些信息通过串口发送给移动平台中的中央处理单元。在这里,汇集了各个车载传感器所侦测到的数据,中央处理单元对这些数据进行一系列的处理，最终通过远程无线数据传输单元与控制台进行通讯。控制台亦可以通过数传单元对卫星终端进行控制。

1.2　导航定位

　　具体实现导航定位的流程如下：地面控制端要实时地掌握卫星及用户工作情况；用户终端主动发射信号进行定位申请,卫星接受到后将其转发到地面控制端；地面控制端接受到用户信号后,解读出用户申请的服务内容井计算出用户的三维坐标位置，再将相关信息发送到卫星；卫星在收到地面控制端发来的坐标资料或者通信内容转发给用户,实现导航与定位服务[1]。

 

2　单体机器人障碍物环境下运动策略

　　对于机器人群组,其所处环境可能比较复杂,所以为保证机器人队形的有效保持与变换,单个机器人需要具备智能躲避障碍、规划路径的能力。对于此方面,本文的灾害侦察机器人采用人工势场法实现避障。

　　目标点的虚拟引力及障碍物的虚拟排斥力共同作用决定机器人下一步的运动方向。机器人的运动速度随着机器人与障碍物接近程度的增加而减小。作用在机器人虚拟合力沿x轴方向的矢量和的表达式为

　　                                    (1)

　　作用在机器人虚拟合力沿y轴方向的矢量和的表达式为

　　                                               (２)

　　则机器人在t+1时刻运动到的位置坐标为

　　                                (３)

　　式中S——机器人的运动步长

 

3　群组机器人系统体系结构和队形控制方法

3.1　群体体系结构

   本文的机器人群组编队采用混合式结构。它是介于集中式和分布式结构之间的一种结构,混合式结构有一个主控机器人,同时受控机器人之间也存在着通讯。主控机器人在掌握全局信息及同受控机器人交流的基础上对任务进行分配,同时协调任务执行过程中出现的冲突等问题,但不具体控制受控机器人的运动。各受控机器人掌握着局部环境信息及所需要的系统信息，执行任务时结合主控机器人的命令及周围环境情况自主进行运动规划。

3.2　编队控制策略

　　采用闭环-编队控制算法,在机器人编队运行时，控制机器人之间的相对距离和相对角度, 使之收敛并保持为设定值和。

   假设为领航者,为跟随者。为被控对象,控制目的是使跟随运动,→,→。设下标表示第个机器人,机器人位姿信息(,,,,) 为旋转中心点处采样数值,表示第个机器人的有关参数( 横、纵坐标,转角,速度,角速度)。但由于旋转中心点处无切向速度。因此,引入一个与旋转中心点同在机器人轴线上的任意点作为控制作用点,称为参考点(,,,,),旋转中心点与参考点之间的位移为(正方向为机器人前进正方向)。为计算方便,取 =。从而有：

         

   对于跟随者(,,,,) 来自于自定位模块,(,,,,) 来自于UDP接收模块,则相对距离

                                 （6）

   其运动学方程为:

                          

   -控制律为：

              

                   

   式中和为比例控制系数。

   由式(7) ～ (11)，对于跟随者,控制输出(,) 为：

                                          

       通过式（12）～（14）所表示的控制算法,领航者在时刻的

 

4　实验

    为证明该方案可行性，我们进行了机器人仿真实验。该仿真实验利用matlab平台构建，实验代码描述了机器人编队在遇到障碍物之前的编队情况，遇到障碍物之后的编队情况，以及通过障碍物后，编队恢复的情况。仿真结果如图1所示。

               

　　左边生成曲线，描述的是机器人群组在二维平面内的路径规划情况；右上角曲线描述的是跟随机器人相对领航机器人的相对距离的变化情况；右下角曲线描述的是跟随机器人相对领航机器人的相对角度的变化情况。下方是四个机器人的位置及角度信息。实验表明机器人群组能够有效地进行队形变换，躲避障碍物，证明了该方案的可行性。

 

5　结语

　　本文的灾害侦察机器人群组以北斗导航系统为基础,依靠单体机器人的智能避障算法，使群组机器人之间通过实时通信接收位姿信息，实现了灾害侦察群组机器人在复杂环境中的编队设计，为其在实际环境中的应用提供了相对可靠的理论基础，侦察机器人在上位机的调度之下,自动行进到发生突发灾害的地点,并实时与上位机进行无线通讯,传回自身位置、灾害发生现场图像的信息，有效缩短救援搜寻时间,提高抢险救灾时效,大大减少人民生命财产损失。