本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種群體移動物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人控制方法。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人協(xié)同工作成為可能，而在此之前，機(jī)器人的任務(wù)分配，有序集群運(yùn)動等問題也急需解決。參考自然界生物不難發(fā)現(xiàn)，群體行為是普遍存在的一種生物行為模式，蟻群能夠通過集體協(xié)作獵殺體型遠(yuǎn)超過自身的昆蟲或者高效的構(gòu)造巢穴，候鳥在遷徙過程中能夠組成有利于飛行的陣型，海洋中的某些魚類會集群躲避捕食者的威脅，這些生物集群看起來并沒有所謂的“中樞系統(tǒng)”統(tǒng)一發(fā)號指令，卻能有條不紊的共同實(shí)現(xiàn)某一目標(biāo)，著實(shí)令人嘆為觀止。很明顯，這種自然形成的系統(tǒng)具備某種自組織性，不會因某個(gè)“核心”失效而導(dǎo)致系統(tǒng)整體失效，系統(tǒng)內(nèi)的個(gè)體雖然可能功能單一，卻也因此具有可替換性，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)增減個(gè)體數(shù)量不會對系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響，健壯性極強(qiáng)。而這些特點(diǎn)正是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人系統(tǒng)所需要的，具有極佳的參考意義。研究者對開生物集群行為模式的研究和模仿已進(jìn)行了數(shù)十年，1987年，Reynolds建立了分散式行為模型并對鳥群進(jìn)行了仿真，證明簡單個(gè)體間通過密集交互可以實(shí)現(xiàn)聚合行為，這是人們最早對自然集群的研究和模擬。1993年，Beni等人提出“元胞機(jī)器人系統(tǒng)”具備實(shí)現(xiàn)智能行為的能力，并正式引入了集群智能概念。此后大量集群控制算法涌現(xiàn)，各類算法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的群體行為控制，然而在實(shí)際情況中不可變的，單一的控制算法往往無法滿足需求，相比之下，可以隨時(shí)間變化的控制算法更適合描述真實(shí)環(huán)境下群體系統(tǒng)的工作模式，也具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。本發(fā)明針對這一現(xiàn)狀提出了一種時(shí)變控制算法，旨在實(shí)現(xiàn)豐富的、隨時(shí)間變化的物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人群體控制功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本方法的核心思想是令物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的控制函數(shù)中包含時(shí)間項(xiàng)，使其成為關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)時(shí)間改變時(shí)控制函數(shù)也隨之變化。此外，考慮到實(shí)際的機(jī)器人群體中存在成員分工不同及通信延遲，允許各機(jī)器人個(gè)體在同一時(shí)間點(diǎn)受不同函數(shù)驅(qū)動，以此進(jìn)一步增加算法靈活性。以下給出算法實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：

設(shè)集合S_V＝{(V_x1+V_y1),(V_x2+V_y2),…,(V_xn+V_yn)}代表位置移動類控制函數(shù)集，V_x1,V_x2,…,V_xn為不同類型的關(guān)于位置的函數(shù)，用于指定機(jī)器人在二維空間中向x軸方向的位移，V_y1,V_y2…,V_yn同上，用于指定y軸方向的位移。設(shè)集合S_O＝{O₁,O₂,…,O_m}代表其它類型控制函數(shù)集，O₁,O₂,…,O_m為控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)除位置移動外的某種特定功能(此處“功能”包括但不限于姿態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集、通信及各類與周圍環(huán)境交互的動作等)的控制函數(shù)。令S＝{C_t1E₁,C_t2E₂,…,C_tNE_N}代表各種子控制函數(shù)的集合，其中1≤N≤m+n，E₁,E₂,…,E_N表示不同類型的子控制函數(shù)，各函數(shù)均應(yīng)取自S_V或S_O，即E_i∈S_V∪S_O,1≤i≤N，參數(shù)1≤i≤N用于引入時(shí)間變量t。在任意時(shí)刻t，作用在某機(jī)器人個(gè)體上的控制函數(shù)f(t)表示為：

上式表示在任意時(shí)刻t，作用于一個(gè)可控機(jī)器人個(gè)體上的子控制函數(shù)有且只有一個(gè)，t₀,t₁,…,t_N將時(shí)間分為N段，當(dāng)t從t₀到t_N變化時(shí)，集合S中的子控制函數(shù)將在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)依次對機(jī)器人個(gè)體產(chǎn)生作用，輪流主導(dǎo)機(jī)器人行為。合理規(guī)劃集合S中的子控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)豐富的、隨時(shí)間變化的控制功能。任何能夠控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某種特定功能(如位置移動、姿態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集、通信及各類與周圍環(huán)境交互的動作等)的控制函數(shù)均可作為集合S中的子控制函數(shù)。此外，除提前規(guī)劃外，集合S中的子控制函數(shù)還可實(shí)時(shí)、動態(tài)地進(jìn)行增減，以滿足復(fù)雜多變的實(shí)際工作需求。

附圖說明

圖1為本算法的控制流程圖；

圖2為本算法控制下的機(jī)器人群體運(yùn)動軌跡。

具體實(shí)施方式

本方法應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人控制時(shí)基本控制流程如下：

S1.物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人接收外部指令，規(guī)劃任務(wù)及任務(wù)時(shí)間，即構(gòu)建或修改控制函數(shù)集合S。

S2.根據(jù)規(guī)劃準(zhǔn)備一項(xiàng)新任務(wù)，即設(shè)置或變更控制函數(shù)，任何控制函數(shù)都應(yīng)取從上一步中構(gòu)建或修改的控制函數(shù)集合S中選取。

S3.執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)，即機(jī)器人在當(dāng)前控制函數(shù)作用下行動。

S4.檢查是否有修改指令的請求，即是否需要修改或重建控制函數(shù)集合S。若為是，則轉(zhuǎn)至步驟S1，若為否，則繼續(xù)下一步。

S5.判斷當(dāng)前任務(wù)是否已耗盡預(yù)定時(shí)間，即是否已超出當(dāng)前控制函數(shù)作用的時(shí)間范圍。若為是，則進(jìn)行下一步，若為否，則轉(zhuǎn)至步驟S3繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)。

S6.判斷當(dāng)前任務(wù)是否為預(yù)定的最后一項(xiàng)任務(wù)。若為是，則流程結(jié)束，若為否，則轉(zhuǎn)至S2準(zhǔn)備下一項(xiàng)任務(wù)。

附圖1展示了本算法的控制流程。

以物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人集群運(yùn)動控制為例進(jìn)行詳細(xì)說明：當(dāng)個(gè)體間同時(shí)存在吸引及排斥的相互作用時(shí)，每個(gè)個(gè)體能夠在特定距離下達(dá)到受力平衡，而這可以成為群體構(gòu)成穩(wěn)定陣型的保障，建立如下控制函數(shù)模型：

V_xi,V_yi分別用于指定機(jī)器人沿x軸和y軸方向的位移，分別為x軸和y軸方向的單位向量，x,y為該機(jī)器人的當(dāng)前坐標(biāo)，x_j,y_j代表該機(jī)器人附近其他第j個(gè)機(jī)器人的坐標(biāo)，如果該機(jī)器人附近有M個(gè)其他機(jī)器人，則j為1到M之間的整數(shù)。k為比例系數(shù)，當(dāng)該機(jī)器人互相位于對方的吸引區(qū)內(nèi)時(shí)，引力占主導(dǎo)地位，相應(yīng)的k應(yīng)取一負(fù)數(shù)，當(dāng)機(jī)器人間距在平衡區(qū)內(nèi)時(shí)，兩機(jī)器人間無互相作用力，k為0，否則斥力占主導(dǎo)地位，k取一正數(shù)。設(shè)定不同的引力區(qū)，平衡區(qū)及排斥區(qū)范圍即可實(shí)現(xiàn)不同的控制效果。

現(xiàn)考慮如下情形：在二維環(huán)境中隨機(jī)放置若干物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，個(gè)體在t₀時(shí)刻處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)控制函數(shù)表示為:

V_x1＝0

V_y1＝0

在時(shí)間點(diǎn)t₁時(shí)各物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人接收外部指令進(jìn)行必要的初始化設(shè)置，在t₂完成操作，本階段控制函數(shù)設(shè)為O₁。

之后各機(jī)器人根據(jù)指令執(zhí)行聚攏操作，此階段控制函數(shù)取為：

的取值表示當(dāng)受控機(jī)器人與周圍第j個(gè)機(jī)器人的間距d_j<10時(shí)兩個(gè)體相互排斥，d_j≥30時(shí)兩個(gè)體相互吸引，排斥作用強(qiáng)于吸引作用以避免碰撞。聚攏完成后希望各個(gè)體有序分散，重新構(gòu)成相對松散的陣型，設(shè)這一行為在時(shí)間點(diǎn)t₃開始，t₄點(diǎn)結(jié)束，則此階段控制函數(shù)可取為：

綜合考慮以上各階段函數(shù)，令S_V＝{(V_x1+V_y1),(Vx₂+V_y2),(V_x3+V_y3)}為位置移動類控制函數(shù)集，S_O＝{O₁}為其他類型控制函數(shù)集，則S＝{C_t1E₁,C_t2E₂,C_t3E₃,C_t4E₄}，其中E₁＝(V_x1+V_y1),E₂＝O₁,E₃＝(V_x2+V_y2),E₄＝(V_x3+V_y3),在任意時(shí)刻t，作用在某機(jī)器人個(gè)體上的控制函數(shù)表示為：

上述控制函數(shù)作用于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)集群陣型控制，附圖2展示了該算法控制下的機(jī)器人運(yùn)動軌跡，矩形標(biāo)示了起始位置，圓形及三角形分別標(biāo)示了各控制函數(shù)下機(jī)器人的相對穩(wěn)定位置。全部流程中作用于機(jī)器人的控制函數(shù)共變化三次，實(shí)現(xiàn)了靜止→初始化設(shè)置→構(gòu)建緊密陣型→構(gòu)建松散陣型的動態(tài)變化過程，展示了本算法的時(shí)變特性。上述集群陣型控制僅為本方法的應(yīng)用之一，實(shí)際上只要構(gòu)建恰當(dāng)?shù)目刂坪瘮?shù)集合S、合理規(guī)劃控制函數(shù)作用的時(shí)間域并遵循附圖1所示的控制流程即可實(shí)現(xiàn)各種實(shí)際情況中需要的控制功能。