基于領航者-跟隨者技術的多機器人編隊控制

吳一塵，劉天宇，王 營

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來，隨著機器人控制技術不斷發展，對于多機器人的編隊控制研究進入又一個新的階段。通過多機器人的相互協同工作可以輕松完成單一機器人不能完成的任務，而編隊控制問題就是多機器人協作中的一個比較典型的問題。多機器人編隊的控制體現在使多機器人按照一定的位置而組成不一樣的隊形，并在整個機器人編隊向某一事先指定位置行進的這一過程中保持此隊形不發生變化，與此同時，也應考慮環境條件對其的約束與影響，從而實現躲避障礙物的能力。在機器人編隊控制中，協同合作問題需要考慮兩方面問題，分別是機器人之間避免相互碰撞和保持預先設定的隊形，多機器人編隊在行進過程中，需要既能保持隊形又可以安全地避開各種未知環境下的障礙物，從而降低周圍環境對機器人編隊產生的影響[1]。對于多機器人編隊系統，多個機器人通過不同的隊形來完成單個機器人不能完成的任務。

1 研究背景

從20世紀70年代開始，機器人編隊方面的研究迅速發展起來，其研究方法也多種多樣：基于行為法、領航者-跟蹤者法、分布式控制法。其中領航者-跟蹤者法就是在多機器人編隊中，使某一個機器人成為領航者機器人，其余所有機器人為跟蹤者機器人，這樣由兩部分組成。領航者機器人是整個機器人編隊的核心，為機器人編隊的路徑提供依據，并且規劃行進路程。跟蹤者機器人則以領航者為基準，保持一定相對位置和相對角度而進行運動，從而形成不同的編隊隊形[2]。

2 機器人編隊實驗系統

機器人編隊由三個機器人組成，三個機器人采用領航者-跟隨者模式，其中領航者機器人一個，跟隨者機器人兩個。

2.1 領航者機器人

領航者機器人采用輪式機器人，如圖1所示，搭載控制計算機與二維激光雷達，如圖2所示。搭載的標靶作為指示物，為跟隨者提供可識別定位的目標，同時，領航者機器人搭載的無線通信設備為ZigBee協調器，用于指令控制與信號收發。

圖1 輪式機器人

圖2 二維激光雷達

2.2 跟隨者機器人

跟隨者機器人采用輪式機器人，搭載控制電腦與帶有環境感知傳感器的雙目視覺相機，如圖3所示，以領航者機器人上搭載的標靶為跟隨者機器人接收信號的標志物，為跟隨者機器人提供路徑規劃的目標。同時搭載的無線通信設備為ZigBee終端，用于接收領航者機器人控制信號。

圖3 雙目視覺相機

3 地圖構建與多點順序導航

在領航者-跟隨者模式下，領航者機器人為多機器人編隊系統的核心，同時，它也為整個機器人編隊提供路徑規劃來確保整個機器人編隊有準確的行進路程。激光雷達是環境感知上一種強有力的傳感器，其能力直接決定了整個機器人編隊路徑規劃的能力好壞，所以激光雷達的選擇至關重要，其需要為整個編隊構建高精度的場景，使機器人編隊在場景中進行多點順序導航，為整個編隊的行進提供保障[3]。

3.1 SLAM技術

SLAM技術，即時定位與地圖構建技術。其旨在解決機器人移動智能化問題，其作用就是將機器人置于一個未知的環境中，從未知環境中某一指定位置出發，在移動過程中，不斷通過傳感器收集環境數據，并根據所收集數據對自身位置進行計算與定位，構建出一個遞增式的環境地圖。

3.2 移動機器人路徑規劃與導航

機器人行進過程中的避障能力是在機器人實現自主導航前一個不可或缺的環節，障礙物是機器人行進過程中最大的阻礙，所以避障能力直接影響機器人的工作效率。靜態障礙物和動態障礙物是障礙物中的兩種分類。移動機器人避障，指在行進過程中，通過自身搭載的雙目視覺相機和傳感器來采集行進路徑中各種障礙物的狀態信息，并在其行進的過程中，根據這些障礙物，采取計算出的規避動作，最終按照計算出的路線到達規劃目標點。

3.3 多點順序導航

在兩點路徑規劃的基礎上，設計中可以增加多個兩點路徑規劃，來實現多點路徑規劃以及實現多點順序導航。兩點間的路徑規劃與導航是在人為約束條件下實現的，不能滿足復雜的路徑規劃要求，由此提出多點順序導航的研究來滿足這一需求。多點順序導航是通過多個人為設置的目標點，來使機器人在多個兩點路徑中進行規劃與導航，從而實現多點順序導航。

4 基于雙目視覺的目標定位與編隊隊形構成

雙目視覺，不光有視覺傳感器來獲取圖像信息，還可以利用雙目的視覺差原理來測量收集目標物體的深度信息，利用它可以獲得立體的視覺。隨著時代進步，計算機視覺技術和視覺傳感器等硬件技術的不斷發展和不斷進步，利用二者的相互結合，可以輕松實現目標追蹤和環境三維地圖的構建。

4.1 雙目視覺相機的坐標系變換

視覺相機的坐標系有四大坐標系：像素坐標系、圖像坐標系、相機坐標系和世界坐標系。像素坐標系是以成像平面的左上角為坐標原點，該坐標系描述物體成像后在數字圖像上的坐標位置；圖像坐標系是以攝像頭成像平面的中心為坐標原點，該坐標系是為了方便相機坐標系與像素坐標系間的映射變換；相機坐標系是站在攝像機視角上衡量目標物體的坐標系；世界坐標系是用于描述目標物體在真實世界中的位置的參考系，可以根據運算方便進行調整。

4.2 目標的識別與標定

利用計算機視覺技術對跟隨者機器人上搭載的雙目視覺相機采集的圖像進行形態學處理，得到領航者機器人靶標的圖像信息，再利用雙目視覺相機的雙目視差原理得到跟隨者機器人與目標機器人間的相對位置關系，為機器人編隊隊形的構成打下基礎[4]。

4.3 多機器人編隊與隊形構成

整個多機器人編隊由一個領航者機器人和兩個跟隨者機器人構成。多機器人編隊的隊形設計為一字形隊形和三角形隊形兩種，編隊如圖4、圖5所示[5]。

圖4 一字形編隊

圖5 三角形編隊

5 結論

本研究基于領航者-跟隨者模式進行機器人編隊，該方法中領航者機器人為機器人編隊的核心，利用搭載的二維激光雷達構建高精度的場景地圖，為機器人編隊規劃路徑。跟隨者機器人利用搭載的雙目視覺相機的圖像處理技術來進行對目標機器人標靶的識別與判定，控制自身與標靶的相對位置關系，從而實現機器人編隊的隊形之間的變換。