基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法技术方案

本发明专利技术涉及了一种基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法，异构机器人系统由至少一台地面移动机器人和至少一台空中飞行机器人组成；其特征在于：地面移动机器人和空中飞行机器人同时从起点出发，依次访问N个子任务点执行子任务，最后共同到达目的地；本发明专利技术考虑各子任务点的位置允许在一定邻域内有效，模引入了邻域约束。此外还考虑了空中飞行机器人和地面移动机器人各自最大速度约束。本发明专利技术能够保证空地异构机器人系统充分利用各自特点实现优势互补，在一定的邻域范围内完成任务，提高了路径规划的效率，节约资源，可应用于海上合作快速救援、目标识别与通信组网、协作环境感知与定位等领域，因而具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动机器人路径规划领域，尤其涉及空地异构机器人系统在运动约束条件下基于邻域约束的路径规划方法。
技术介绍
随着科技的进步，机器人技术与人类的生活越来越紧密联系在一起。尤其是多种新型机器人的出现，使得以往单一机器人无法完成的复杂任务可以依靠多机器人合作来完成。例如：过去几十年来出现了大量有关多机器人合作的研究，如合作围捕、地图构建、共同覆盖、目标跟踪、通信中继、信息传感、编队、组网等。在过去多机器人系统的研究中，针对同构机器人系统的比较多。而那些异构机器人系统，通常由于各个机器人个体具有不同的功能和外形、不同的载荷和运动能力而拥有差异巨大的动力学和运动学。当这些个体在一起相互协作时会产生冗余与耦合等影响，因此具有很大的挑战。地面移动机器人和空中飞行机器人是两类典型的异构机器人。地面机器人的运动局限于二维平面，而空中机器人具有强大的三维运动能力。通常情况下，空中机器人运动迅速，响应快捷，不易受到地面障碍的阻挡，但滞空时间往往有限，而且自身定位精度相对较低，获得的目标信息精度也较低。而地面机器人可以携带大量物资，穿越狭窄的通道“边走边完成任务”，针对目标完成准确的识别与跟踪，甚至可完成其它更加精细的任务，但是容易受到地面障碍的阻挡，对目标采集图像信息时视角单一，无法获得全局图像信息。因此，路径规划问题必须考虑空中机器人和地面机器人各自在功能分配上的优势，这给异构系统的研究带来了新的挑战。目前已有的异构机器人系统路径规划方法主要有两类：一类是建立组合优化模型，然后采用启发式方法求解，因复杂度高，往往只能求得次优解；还有一类便是基于数学规划模型的方法，这一类方法在计算效率方面具有较大的优势，但是通常需要借助于大量的简化和假设。现有的方法，无论是组合优化方法还是数学优化方法，均将各个待访问的目标点当作精确位置，而在实际应用中，目标点通常是一个范围或邻域，比如救援地点、物资投放地点都允许在一定范围内有效，而采用太精确的任务规划，不利于效率提高。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题，提供了一种基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法。在邻域约束范围内访问任务点，提高了路径规划的效率，减少了路径规划方法的复杂度。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法，异构机器人系统由至少一台地面移动机器人和至少一台空中飞行机器人组成；其特征在于：地面移动机器人和空中飞行机器人同时从起点出发，依次访问N个子任务点执行子任务，最后共同到达目的地；为了节省能量，地面移动机器人在设定时间段充当移动平台载着空中飞行机器人运动，当接收到子任务时，空中飞行机器人从地面移动机器人上自主起飞去执行所述子任务，完成子任务后空中飞行机器人再返回地面移动机器人补充能量，并陪同地面移动机器人一起运动继续完成下一个子任务；空中机器人在前往执行某个子任务时，与其搭配的地面移动机器人持续前进以尽可能与空中飞行机器人协调同步；全部任务完成后，所有空中飞行机器人均返回并降落在各自搭配的地面移动机器人上；在此过程中需要计算出地面移动机器人的路径点，以及飞行机器人从地面机器人平台上起飞，执行完所有子任务后再返回的整个航迹点；通过引入二值变量对各个子任务点依次访问，然后分别建立地面机器人和空中机器人的运动约束，以完成对所有子任务点访问的总时间最小为目标函数建立混合整数规划模型；所述设定时间段设置为整个任务过程中空中飞行机器人执行子任务之外的时间段，且以空地双方能够相互识别和定位为前提，每次空中飞行机器人执行子任务的时间须小于其自身最大滞空时间。上述基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法主要包括如下步骤：步骤1：设置异构机器人系统的系统参数：设置整个异构机器人系统的运动起点、任务点、目标点的位置以及每个子任务点规定的邻域范围大小；设置地面移动机器人与空中飞行机器人各自的最大运动速度；设置空中机器人的最大滞空时间与补充能量的最小时间参数；步骤2：根据空地异构机器人自身约束与相互间的约束条件，建立混合整数优化模型，具体过程如下：步骤2-1：异构机器人系统所包含的机器人一起从起始点出发，通过引入二
值变量，保证每个子任务点必须被访问一次，且最多只能访问一次；步骤2-2：当异构机器人系统一起运动至某一地点时，空中飞行机器人离开运载平台单独执行任务，在满足空中飞行机器人最大滞空时间与最大运动速度的约束条件下，完成对一个或多个子任务点邻域范围内的访问；步骤2-3：在步骤2-2进行的过程中，地面机器人仍然以最大速度沿直线路径运动，并满足最大运动速度约束条件；步骤2-4：飞行机器人完成任务之后，返回降落在地面移动机器人平台上，在随地面移动机器人前进的过程中补充能量，为下次任务的到来做准备；为了确保任务的顺利完成，避免半途而废，空中机器人只有在充电完成后才能再次起飞，在充电过程中，需满足最短充电时间约束；同时，在整个协同运动过程中，地面机器人仍需保证最大运动速度约束；步骤2-5：循环步骤2-2、步骤2-3、步骤2-4，直至异构机器人系统完成对所有子任务点的访问，最终一起到达目标点；步骤2-6：最后，以完成对所有子任务点访问的总时间最小为代价，建立目标函数；步骤2-7：以上述步骤2-1至步骤2-6所得的约束条件与目标函数建立混合整数非线性规划模型；步骤3：根据建立的混合整数优化模型进行路径规划，并利用异构机器人系统执行规划的路径。上述技术方案中，步骤1中，设定异构机器人系统依次访问多个子任务点：T1,T2,...,TN，最后共同到达目的地Te；地面移动机器人以最大速度vc,max运动，空中飞行机器人最大运动速度为vh,max。上述技术方案中，步骤2-2中，所述子任务点Ti的邻域以Ti点为圆心，以Ri为半径形成圆形分析窗口，其中，Ti为邻域中心，Ri为邻域半径；空中飞行机器人对某个子任务点的访问只需要落入该子任务点的邻域范围即可。上述技术方案中，步骤2-2中，空中飞行机器人若同时访问多个子任务点，每个子任务点Ti可能具有不同的邻域半径，即大小各不相同的圆域。相对于现有技术，本专利技术基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方
法，提出了带邻域约束的混合整数规划模型，使得空中机器人与地面机器人合作时，可以发挥各自的优势解决更加复杂的任务。提高了路径规划的效率，减少了算法的复杂度，又在一定程度上实现了节约能源的目的。执行任务的空中机器人只需根据自身约束与地面移动平台的相互约束条件在邻域内完成任务即可返回，节省了时间与能源，在同等的时间段内，完成更多的任务，大大提高了运行效率。附图说明图1为本专利技术的空地异构机器人系统路径规划示意图。图2为本专利技术的异构机器人系统在邻域约束条件下的路径规划结果。图3为未加入邻域约束的异构机器人系统路径规划结果。具体实施方式为了进一步说明本专利技术的技术方案，下面结合附图1-3对本专利技术进行详细的说明，但不是对本专利技术的限定。图1为空地异构机器人系统路径规划示意图。由地面移动机器人搭载无人机从TS出发，依次访问N个子任务点T1,T2,...,TN，最后共同到达目的地Te。其中虚线代表地面机器人的路径，每个子任务点周围的实线圆代表各自的邻域范围。在此异构机器人系统中，地面移动机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法，异构机器人系统由至少一台地面移动机器人和至少一台空中飞行机器人组成；其特征在于：地面移动机器人和空中飞行机器人同时从起点出发，依次访问N个子任务点执行子任务，最后共同到达目的地；为了节省能量，地面移动机器人在设定时间段充当移动平台载着空中飞行机器人运动，当接收到子任务时，空中飞行机器人从地面移动机器人上自主起飞去执行所述子任务，完成子任务后空中飞行机器人再返回地面移动机器人补充能量，并陪同地面移动机器人一起运动继续完成下一个子任务；空中机器人在前往执行某个子任务时，与其搭配的地面移动机器人持续前进以尽可能与空中飞行机器人协调同步；全部任务完成后，所有空中飞行机器人均返回并降落在各自搭配的地面移动机器人上；在此过程中需要计算出地面移动机器人的路径点，以及飞行机器人从地面机器人平台上起飞，执行完所有子任务后再返回的整个航迹点；通过引入二值变量对各个子任务点依次访问，然后分别建立地面机器人和空中机器人的运动约束，以完成对所有子任务点访问的总时间最小为目标函数建立混合整数规划模型；所述设定时间段设置为整个任务过程中空中飞行机器人执行子任务之外的时间段，且以空地双方能够相互识别和定位为前提，每次空中飞行机器人执行子任务的时间须小于其自身最大滞空时间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法，异构机器人系统由至少一台地面移动机器人和至少一台空中飞行机器人组成；其特征在于：地面移动机器人和空中飞行机器人同时从起点出发，依次访问N个子任务点执行子任务，最后共同到达目的地；为了节省能量，地面移动机器人在设定时间段充当移动平台载着空中飞行机器人运动，当接收到子任务时，空中飞行机器人从地面移动机器人上自主起飞去执行所述子任务，完成子任务后空中飞行机器人再返回地面移动机器人补充能量，并陪同地面移动机器人一起运动继续完成下一个子任务；空中机器人在前往执行某个子任务时，与其搭配的地面移动机器人持续前进以尽可能与空中飞行机器人协调同步；全部任务完成后，所有空中飞行机器人均返回并降落在各自搭配的地面移动机器人上；在此过程中需要计算出地面移动机器人的路径点，以及飞行机器人从地面机器人平台上起飞，执行完所有子任务后再返回的整个航迹点；通过引入二值变量对各个子任务点依次访问，然后分别建立地面机器人和空中机器人的运动约束，以完成对所有子任务点访问的总时间最小为目标函数建立混合整数规划模型；所述设定时间段设置为整个任务过程中空中飞行机器人执行子任务之外的时间段，且以空地双方能够相互识别和定位为前提，每次空中飞行机器人执行子任务的时间须小于其自身最大滞空时间。2.根据权利要求1所述的基于邻域约束的空地异构机器人系统路径规划方法，其特征在于：主要包括如下步骤：步骤1：设置异构机器人系统的系统参数：设置整个异构机器人系统的运动起点、任务点、目标点的位置以及每个子任务点规定的邻域范围大小；设置地面移动机器人与空中飞行机器人各自的最大运动速度；设置空中机器人的最大滞空时间与补充能量的最小时间参数；步骤2：根据空地异构机器人自身约束与相互间的约束条件，建立混合整数优化模型，具体过程如下：步骤2-1：异构机器人系统所包含的机器人一起从起始点出发，通过引入二值变量，保证每个子任务点必须被访问一次，且最多只能访问一次；步骤2-2：当异构机器人系统一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洋，谭艳平，吴怀宇，程磊，姜明浩，龙文，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42