目前,國(guó)內(nèi)外研制出各種各樣的救援機(jī)器人系統(tǒng)，它們可以代替人員對(duì)具有潛在危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力,通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可及時(shí)報(bào)告所處位置和受災(zāi)情況,提高搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效,減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。所以本文方案旨在研制開發(fā)一套多任務(wù)調(diào)度智能導(dǎo)航偵查機(jī)器人群組,該系統(tǒng)基于北斗導(dǎo)航定位,無(wú)線通訊等相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)偵察機(jī)器人在上位機(jī)的調(diào)度之下,自動(dòng)行進(jìn)到發(fā)生突發(fā)災(zāi)害的地點(diǎn),并實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊,傳回自身位置、災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)圖像的信息。

 

1　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

　　北斗作為我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有世界上其余三個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)所沒(méi)有的雙向通信功能,它可以在地震造成通訊中斷、道路損毀的情況下為抗震救災(zāi)提供可靠的導(dǎo)航定位和通信保障。

1.1　北斗通信功能

　　利用北斗系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù),指示移動(dòng)機(jī)器人載體（小車）的朝向、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、角加速度，確定機(jī)器人載體在世界坐標(biāo)中的地理位置。定時(shí)從GIS系統(tǒng)中獲取移動(dòng)監(jiān)控目標(biāo)的坐標(biāo)，然后顯示在地圖上,以便于在尋找事故傷亡人員時(shí)能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

　　衛(wèi)星接收終端接入北斗系統(tǒng)，接收北斗系統(tǒng)提供的經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間、速度、方向和精度等信息,終端將這些信息通過(guò)串口發(fā)送給移動(dòng)平臺(tái)中的中央處理單元。在這里,匯集了各個(gè)車載傳感器所偵測(cè)到的數(shù)據(jù),中央處理單元對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，最終通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元與控制臺(tái)進(jìn)行通訊�？刂婆_(tái)亦可以通過(guò)數(shù)傳單元對(duì)衛(wèi)星終端進(jìn)行控制。

1.2　導(dǎo)航定位

　　具體實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的流程如下：地面控制端要實(shí)時(shí)地掌握衛(wèi)星及用戶工作情況；用戶終端主動(dòng)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行定位申請(qǐng),衛(wèi)星接受到后將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制端；地面控制端接受到用戶信號(hào)后,解讀出用戶申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容井計(jì)算出用戶的三維坐標(biāo)位置，再將相關(guān)信息發(fā)送到衛(wèi)星；衛(wèi)星在收到地面控制端發(fā)來(lái)的坐標(biāo)資料或者通信內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給用戶,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與定位服務(wù)[1]。

 

2　單體機(jī)器人障礙物環(huán)境下運(yùn)動(dòng)策略

　　對(duì)于機(jī)器人群組,其所處環(huán)境可能比較復(fù)雜,所以為保證機(jī)器人隊(duì)形的有效保持與變換,單個(gè)機(jī)器人需要具備智能躲避障礙、規(guī)劃路徑的能力。對(duì)于此方面,本文的災(zāi)害偵察機(jī)器人采用人工勢(shì)場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)避障。

　　目標(biāo)點(diǎn)的虛擬引力及障礙物的虛擬排斥力共同作用決定機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度隨著機(jī)器人與障礙物接近程度的增加而減小。作用在機(jī)器人虛擬合力沿x軸方向的矢量和的表達(dá)式為

　　                                    (1)

　　作用在機(jī)器人虛擬合力沿y軸方向的矢量和的表達(dá)式為

　　                                               (２)

　　則機(jī)器人在t+1時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到的位置坐標(biāo)為

　　                                (３)

　　式中S——機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)

 

3　群組機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和隊(duì)形控制方法

3.1　群體體系結(jié)構(gòu)

   本文的機(jī)器人群組編隊(duì)采用混合式結(jié)構(gòu)。它是介于集中式和分布式結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu),混合式結(jié)構(gòu)有一個(gè)主控機(jī)器人,同時(shí)受控機(jī)器人之間也存在著通訊。主控機(jī)器人在掌握全局信息及同受控機(jī)器人交流的基礎(chǔ)上對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配,同時(shí)協(xié)調(diào)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的沖突等問(wèn)題,但不具體控制受控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。各受控機(jī)器人掌握著局部環(huán)境信息及所需要的系統(tǒng)信息，執(zhí)行任務(wù)時(shí)結(jié)合主控機(jī)器人的命令及周圍環(huán)境情況自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

3.2　編隊(duì)控制策略

　　采用閉環(huán)-編隊(duì)控制算法,在機(jī)器人編隊(duì)運(yùn)行時(shí)，控制機(jī)器人之間的相對(duì)距離和相對(duì)角度, 使之收斂并保持為設(shè)定值和。

   假設(shè)為領(lǐng)航者,為跟隨者。為被控對(duì)象,控制目的是使跟隨運(yùn)動(dòng),→,→。設(shè)下標(biāo)表示第個(gè)機(jī)器人,機(jī)器人位姿信息(,,,,) 為旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)處采樣數(shù)值,表示第個(gè)機(jī)器人的有關(guān)參數(shù)( 橫、縱坐標(biāo),轉(zhuǎn)角,速度,角速度)。但由于旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)處無(wú)切向速度。因此,引入一個(gè)與旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)同在機(jī)器人軸線上的任意點(diǎn)作為控制作用點(diǎn),稱為參考點(diǎn)(,,,,),旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的位移為(正方向?yàn)闄C(jī)器人前進(jìn)正方向)。為計(jì)算方便,取 =。從而有：

         

   對(duì)于跟隨者(,,,,) 來(lái)自于自定位模塊,(,,,,) 來(lái)自于UDP接收模塊,則相對(duì)距離

                                 （6）

   其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:

                          

   -控制律為：

              

                   

   式中和為比例控制系數(shù)。

   由式(7) ～ (11)，對(duì)于跟隨者,控制輸出(,) 為：

                                          

       通過(guò)式（12）～（14）所表示的控制算法,領(lǐng)航者在時(shí)刻的

 

4　實(shí)驗(yàn)

    為證明該方案可行性，我們進(jìn)行了機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)。該仿真實(shí)驗(yàn)利用matlab平臺(tái)構(gòu)建，實(shí)驗(yàn)代碼描述了機(jī)器人編隊(duì)在遇到障礙物之前的編隊(duì)情況，遇到障礙物之后的編隊(duì)情況，以及通過(guò)障礙物后，編隊(duì)恢復(fù)的情況。仿真結(jié)果如圖1所示。

               

　　左邊生成曲線，描述的是機(jī)器人群組在二維平面內(nèi)的路徑規(guī)劃情況；右上角曲線描述的是跟隨機(jī)器人相對(duì)領(lǐng)航機(jī)器人的相對(duì)距離的變化情況；右下角曲線描述的是跟隨機(jī)器人相對(duì)領(lǐng)航機(jī)器人的相對(duì)角度的變化情況。下方是四個(gè)機(jī)器人的位置及角度信息。實(shí)驗(yàn)表明機(jī)器人群組能夠有效地進(jìn)行隊(duì)形變換，躲避障礙物，證明了該方案的可行性。

 

5　結(jié)語(yǔ)

　　本文的災(zāi)害偵察機(jī)器人群組以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ),依靠單體機(jī)器人的智能避障算法，使群組機(jī)器人之間通過(guò)實(shí)時(shí)通信接收位姿信息，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害偵察群組機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的編隊(duì)設(shè)計(jì)，為其在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用提供了相對(duì)可靠的理論基礎(chǔ)，偵察機(jī)器人在上位機(jī)的調(diào)度之下,自動(dòng)行進(jìn)到發(fā)生突發(fā)災(zāi)害的地點(diǎn),并實(shí)時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊,傳回自身位置、災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)圖像的信息，有效縮短救援搜尋時(shí)間,提高搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)效,大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。