基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，通过UWB模块采集各基站之间的距离信息及各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，并通过主基站发送至上位机，建立UWB定位坐标系；在移动机器人中内建动态虚拟网络拓扑结构的构成规则，以及在上位机中先建立移动机器人身份信息集合，通过解算原始坐标信息得出各移动机器人位置信息，并将移动机器人身份信息与位置信息进行绑定；各移动机器人接收到上位机广播的绑定后的身份信息与位置信息，实现结合集中式通信系统与分布式控制系统的混杂网络生成，通过上述动态虚拟网络拓扑结构的构成规则完成动态虚拟交互。

【技术实现步骤摘要】
基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法
本专利技术属于移动机器
，更为具体地讲，涉及一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法。
技术介绍
UWB中文名超宽带(UltraWideBand，UWB)，是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。超宽带通信是以脉冲为信号的新型通讯方法，解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、高速数据传输、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统结构的实现简单、工程简单造价便宜、能提供数厘米的定位精度等优点。此外，在抗多径能力和穿透性方面也有着较好表现，适用于高精度的室内定位。近年来，移动机器人技术发展迅速，相较于单移动机器人系统，多移动机器人系统拥有更强的性能与鲁棒性，可以完成单机器人无法胜任的高度复杂任务，对于实现在分布式空间环境中协同完成任务具有重大意义。受通讯时延等多方面因素的影响，实现移动机器人之间的高效率通讯一直是该领域的难题。传统的多移动机器人编队控制方法分为集中式控制与分布式控制两大类，集中式控制存在上位机承担几乎全部运算压力等缺点，难以消除因运算压力带来的控制延迟，移动机器人的控制一致性不能得到保证；分布式控制技术要求较高，系统总体的协调与优化是一个世界性的难题，且数据通讯量大，对通讯设备的要求极高
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，具体实现了一种混杂式网络生成方法——在集中式位置解码、分布式位置更新框架下通过构建虚拟动态网络拓扑结构规则，对各移动机器人实现类分布式控制；其中，机器人位置测量依赖于集中式广播，机器人位置更新依赖于分布式计算。为实现上述专利技术目的，本专利技术一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、UWB模块采集各基站之间的距离信息及各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，并通过主基站发送至上位机，建立UWB定位坐标系；(2)、移动机器人建立动态虚拟网络拓扑结构的构成规则；其中，(xi,yi)、(xj,yj)表示第i个和第j个移动机器人在UWB定位坐标系中的位置坐标信息，i≠ji,j∈[1,n]，σ1、σ2为距离阈值下限和上限；(3)、上位机绑定并广播身份信息与位置坐标信息集合；(3.1)、在UWB定位坐标系下，上位机通过三点定位法解算各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，得到移动机器人位置坐标信息集合{S1,S2,…,Si,…,Sn}T；(3.2)、在上位机建立移动机器人的身份信息集合{Q1,Q2,…,Qi,…,Qn}，Qi表示第i个移动机器人的身份信息，n表示移动机器人总个数；(3.3)、将移动机器人的身份信息集合与位置坐标信息集合绑定为身份-位置信息集合A＝{Q1S1,Q2S2,…,QiSi,…,QnSn}T，并广播至各移动机器人；(4)、通过身份-坐标集合构建动态虚拟网络；(4.1)、移动机器人读取身份-位置信息集合，获得各个移动机器人的位置坐标；(4.2)、用户建立移动机器人运动控制方程F；(4.3)、设第i个和第j个移动机器人的当前位置坐标信息为{Si,Sj}，其中，Si＝(xi,yi)，Sj＝(xj,yj)；(4.4)、对于{Si,Sj}，计算移动机器人i与移动机器人j之间距离distance(Si,Sj)；根据步骤(2)所述的规则，若distance(Si,Sj)＜σ1，那么移动机器人i受移动机器人j影响权重为1；若distance(Si,Sj)＞σ2，那么移动机器人i受移动机器人j影响权重为0；若σ1＜distance(Si,Sj)＜σ2，那么移动机器人i受移动机器人j影响权重为动态权重；(4.5)、将移动机器人当前位置坐标信息{Si,Sj}输入运动控制方程F，则移动机器人i受全部邻居机器人影响后下一步的运动状态表示为其中，Ni表示机器人i的邻居机器人集合，weightij表示移动机器人i受移动机器人j影响权重值；(4.6)、重复步骤(4.3)、(4.4)、(4.5)，直至通过控制方程F计算出所有移动机器人下一步行动中的位置坐标信息，从而构建出移动机器人群体的动态虚拟网络；(5)、根据动态虚拟网络对各个移动机器人进行位置调整，最后将调整后的当前位置信息反馈至基站，再重复步骤(3)、(4)。本专利技术的专利技术目的是这样实现的：本专利技术基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，通过UWB模块采集各基站之间的距离信息及各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，并通过主基站发送至上位机，建立UWB定位坐标系；在移动机器人中内建动态虚拟网络拓扑结构的构成规则，以及在上位机中先建立移动机器人身份信息集合，通过解算原始坐标信息得出各移动机器人位置信息，并将移动机器人身份信息与位置信息进行绑定；各移动机器人接收到上位机广播的绑定后的身份信息与位置信息，实现结合集中式通信系统与分布式控制系统的混杂网络生成，通过上述动态虚拟网络拓扑结构的构成规则完成动态虚拟交互。同时，本专利技术基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法还具有以下有益效果：(1)、在传统集中式控制方法中，上位机需要承担所有计算过程，而本专利技术中所有的计算过程由移动机器人与上位机分别承担，上位机仅需要进行位置坐标信息解算与广播工作，其余计算工作由移动机器人完成，减少了上位机的负担，可使上位机利用高效率地进行位置信息解算与传输；此外，移动机器人根据控制函数调整自身位置，同时上位机接收并处理下一批位置信息，这样通过双线程处理方式可以增加整体系统的运行效率，在UWB室内定位的应用背景下相较于传统集中式控制方法拥有较大优势；(2)、在传统分布式控制方法中，移动机器人之间存在大量的数据通讯，对通讯设备的要求极高，且系统总体的协调与优化需要非常复杂的协同控制算法来实现；而本专利技术是在基于集中式控制方式的基础之上，通过构建虚拟动态网络拓扑结构规则，实现了一种在技术上更易实现的类分布式的系统结构，各移动机器人依赖分布式计算完成位置更新，且移动机器人之间不需要任何通讯设备也能实现分布式交互效果；(3)、在拥有上位机的整体系统中，各移动机器人独立于上位机之外，保持了在传统分布式控制中所特有的独立性与自主性，整体系统相较于集中式控制效率更高，相较于分布式控制更易在工程上实现，用户可以根据自身需要在该系统中制定所需控制算法，拥有很高的用户友好度与灵活度。附图说明图1是本专利技术基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法流程图；图2是UWB定位系统构成示意图；图3是移动机器人动态虚拟交互网络示意图；图4是A1、A2运动过程中权重变化示意图；图5是A1、A2运动过程中Y轴速度分量变化示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)、UWB模块采集各基站之间的距离信息及各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，并通过主基站发送至上位机，建立UWB定位坐标系；/n(2)、移动机器人建立动态虚拟网络拓扑结构的构成规则；/n

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB定位广播式多移动机器人动态虚拟交互方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、UWB模块采集各基站之间的距离信息及各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，并通过主基站发送至上位机，建立UWB定位坐标系；
(2)、移动机器人建立动态虚拟网络拓扑结构的构成规则；



其中，(xi,yi)、(xj,yj)表示第i个和第j个移动机器人在UWB定位坐标系中的位置坐标信息，i≠ji,j∈[1,n]，σ1、σ2为距离阈值下限和上限；
(3)、上位机绑定并广播身份信息与位置坐标信息集合；
(3.1)、在UWB定位坐标系下，上位机通过三点定位法解算各移动机器人机载标签与各基站的距离信息，得到移动机器人位置坐标信息集合{S1,S2,…,Si,…,Sn}T；
(3.2)、在上位机建立移动机器人的身份信息集合{Q1,Q2,…,Qi,…,Qn}，Qi表示第i个移动机器人的身份信息，n表示移动机器人总个数；
(3.3)、将移动机器人的身份信息集合与位置坐标信息集合绑定为身份-位置信息集合A＝{Q1S1,Q2S2,…,QiSi,…,QnSn}T，并并广播至各移动机器人；
(4)、通过身份-坐标集合构建动态虚拟网络；
(4.1)、移动机器人读取身份-位置信息集合，获得各个移动机器人的位置坐标；
(4.2)、用户建立移动机器人运动控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡江平，沈昭宇，李咏章，苑港硕，穆尚群，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51