多醫用配送機器人系統實時路徑規劃方法研究

董鈺穎， 楊雷恒

(西安航空職業技術學院, 航空維修工程學院， 陜西， 西安 710089)

0 引言

經過長期科學研究，自主移動機器人技術已經較為成熟，并應用于航空航天、水下探測、服務、物流配送等不同領域中[1-3]。2019年12月COVID-19世界范圍內蔓延后，各國醫療服務缺口懸殊的問題日益凸顯，為了保證醫護工作者的生命安全，減輕其工作負擔，引入專用的醫用配送機器人完成物品配送成為大眾翹首以盼的技術革新[4]。

為了保證醫用配送機器人按照任務要求實現自主移動，準確完成物品配送任務，路徑規劃技術是關鍵技術之一。它不僅在一定程度上代表移動機器人智能化程度的高低，更是其完成更高層任務的基石。由于日常配送任務繁重同時具有時間限制，單一機器人難以完成所有配送任務，需要多輛機器人協同完成[5-6]。

1 多醫用配送機器人系統協同路徑規劃問題概述

1.1 多醫用配送機器人系統日常工作特點分析

根據實地調研可知，醫用配送機器人工作任務繁重，單一機器人難以在規定時間范圍內完成所有的配送任務，需要多輛機器人協同完成。總結來說，多機器人系統存在如下優點。

(1) 系統工作效率高，多輛機器人系統可以將復雜繁重的配送任務分布給多輛機器人協同完成，較單輛機器人執行任務而言工作效率更高，配送任務能夠更快的被執行。

(2) 系統穩定性強，多輛機器人協同執行任務能夠提高系統的穩定性。當系統中某輛機器人發生故障時，通過任務重新分配給其他機器人能夠保證所有任務能夠按照要求完成。

(3) 經濟性能好，多輛機器人協同完成任務能夠有效地減輕機器人的工作負擔，能夠減輕每輛機器人的損耗，從而減少機器人的維修費用。

1.2 多配送機器人系統控制方法

多機協同路徑規劃問題不僅是機器人數量增加的問題，需要在整體上綜合考慮機器人的任務分配、路徑規劃以及碰撞避免[7]。為了解決上述問題，需要中央控制系統作為多機器人系統的上位機，通過其建立起機器人之間、每輛機器人的通信關系，將獨立的機器人緊密聯系起來。目前，多機器人協同路徑規劃算法框架分為集中式控制框架以及分布式控制框架。

(1) 基于集中式控制框架多機器人路徑規劃算法

每輛機器人只與系統中央控制器建立通信，機器人之間不能直接通信。該方法優點是部署簡單，統籌規劃較大程度避免局部最優的問題。在目前研究中，有部分研究者在考慮時域和空域的同時引入時間窗的概念進行動態無碰撞路徑規劃方法探究。文獻[8]提出了一種基于時間窗動態無碰撞的多AGV路徑規劃方法，一定程度上解決了多輛小車運行過程中的碰撞與死鎖問題。Mahulea等[9]提出了一種基于Petri網的整數線性規劃模型求解機器人最短路徑的方法，將布爾邏輯描述的任務約束轉化成一系列線性約束并整合成一個整數線性規劃模型，通過模型求解計算出機器人的最優軌跡。文獻[10]通過在整數規劃模型中加入時間窗約束保證了所有的任務在規定的時間范圍內被有效完成。上述方法均存在當機器人數量增大時，中央控制器的計算量呈指數增長的問題，對于實際環境中大規模機器人路徑規劃問題，該方法無法實現最優解的求解。

(2) 基于分布式控制框架多機器人路徑規劃算法

每個機器人根據自身所配備傳感器采集的信息單獨規劃自己的路徑和運動。在運動過程中，機器人之間不直接進行通信，具有系統靈活、魯棒性好的優點。但是該方法仍存在缺乏全局的控制，無法保證所規劃的路徑為最優軌跡的缺點。

2 一種多醫用配送機器人動態路徑規劃方法

通過對多醫用配送機器人的任務特點、技術要求以及研究現狀進行分析，本文結合集中控制式和分布控制式算法的優點，提出了一種高效率的實時路徑規劃策略。

2.1 基于滾動時域的實時在線路徑規劃策略

(1) 方法概述

根據實際配送中，醫院道路通行情況不斷變化，為了應對突發擁擠導致任務停滯的情況發生，本文設計了一種基于滾動時域[11]的周期性路徑規劃策略，主要實施過程如圖1所示。

圖1 基于滾動時域的多配送機器人系統總體控制框架

所謂滾動時域，即在系統中引入計時器，同時將計時器所記錄機器人的工作時間劃分為若干時域。每一時域初，中央控制器根據監控系統實時反饋的道路通行情況和機器人所在位置重新分析每輛機器人接下來的最優軌跡，并下達給機器人們。機器人按照規定的路徑執行任務直到該時域結束，并進入到下一時域初的軌跡更新中，時域不斷滾動，直到所有任務都被按時完成。

(2) 具體實施過程

首先在離線全局規劃最初階段，所有機器人處于靜止狀態，所有道路均處于暢通狀態。機器人開始按照離線規劃的軌跡運行，同時將計時器所記錄的機器人執行任務過程的工作時間劃分成若干個時域；每時域末，監控系統向中央控制系統反饋機器人所處位置以及此時工作環境中各道路的實時通行情況，并將此作為下一時域的初始條件，判斷在當前道路通行情況下未完成的任務是否能夠按時完成。若能，則機器人按照原路徑軌跡執行任務；若不能，則根據機器人當前所在位置以及未完成任務所在區域再次進行規劃直到所有配送任務均被完成。具體在線路徑再規劃策略如圖2所示。

圖2 在線路徑再規劃策略

2.2 實時沖突避免策略

由于醫院中各工作區域的實時接納量隨著人流量影響而不斷變化，可能導致原本容量充足的區域不允許機器人同時通過。對于上述問題，本文提出了一種基于滾動時域的出發時間安排策略，在每時域初根據工作環境中機器人的實際容納量設置機器人的出發時間，避免機器人們同時經過沖撞區域，從而避免沖撞發生。具體實施方法如下。

(1)

如果2輛機器人q和α在運行過程中都會經過區域pc，當2輛機器人經過該區域的時間存在如圖3所示的重合時間域時，2輛機器人將因同一時段處于區域pc發生碰撞。

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 產生沖撞的時間域

通過上述發生碰撞的四種情況分析可知，只要避免機器人在重合的時間域內經過容量有限的區域才能避免碰撞的發生，因此，機器人經過容量有限區域的時間域需要滿足如下不等式：

min (y1+y2)

3 總結

在本文中，考慮到實際工作環境道路信息動態變化的特點提出了基于滾動時域的離線-在線兩階段的實時路徑規劃方法。通過滾動時域實時反饋道路的通行情況更新道路環境信息，不斷地調整機器人的運行軌跡，防止機器人因道路突發擁堵陷入死鎖狀態的情況發生，保證了所有的任務能夠按時完成。對于環境中出現空間超負荷而不允許機器人同時經過的區域，提出了一種啟動時間調整策略合理規劃機器人啟動時間，錯開機器人通過該區域的時間，從而實現避免沖撞，為多機器人協同實時路徑規劃提供了有效的解決方法。