仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统

摘要

本发明公开了仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统，涉及搜索系统技术领域，它由多个相同机器人组成，每个机器人均包括有机架，机架上安装有驱动机器人移动的驱动模块、蓝牙模块和ARM微处理器，蓝牙模块与ARM微处理器之间通过通信接口电连接，ARM微处理器与驱动模块电连接，机器人之间通过蓝牙模块信号连接，建立点对点局部搜索信息共享通讯网络，根据机器人蓝牙模块之间接收信号强度，计算各个机器人之间距离，通过各个机器人之间蓝牙模块的通讯信息调控，由ARM微处理器输出电信号控制驱动模块带动机器人移动。本发明技术对机器人之间通讯依赖性小、无需精确定位，适用于通讯范围有限、数据计算处理能力有限的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统，具体为搜索系统技术领域。

背景技术

采用群体机器人代人搜索是危险或无人环境的目标探测的先进手段。现有的群体机器人目标搜索系统存在对机器人之间的通讯范围过度依赖、需要复杂的定位系统等等不足，如果机器人之间的通讯范围受限、定位困难，将导致该群体机器人搜索系统瘫痪，降低了实际的机器人在完成搜索任务的效率。

现有的群体机器人目标搜索系统的功能验证或功能实现需要建立在国外的群机器人平台，价格昂贵，且以红外传感器作为通讯和测距模块的机器人容易出现红外传感器损坏的问题，一定程度上限制了搜索系统的发展速度。

国内多采用拓展粒子群算法等群体智能算法作为群体机器人的搜索系统，这需要保障群体机器人都能及时获得到其他机器人的搜索信息。国内外著名的基于粒子群算法的群体机器人搜索系统就是需要群体机器人保持所有机器人的搜索信息都能够收到，进而实现目标搜索功能，但是实际机器人的通讯、交流是有限的，超出通讯范围，对区域搜索的信息就无法及时传递、获取搜索信息，搜索效率下降。

基于粒子群算法的群体机器人搜索系统面向的是位置矢量问题，在实际机器人中，采用粒子群算法需要定位，如果定位误差大的话，会导致粒子群算法效率下降，因为共享出来的信息由于误差导致信息不准，影响到了机器人的下一运动位置。基于粒子群算法的群体机器人搜索系统可视为一种矢量问题，对群体机器人的定位要求极高，若定位误差大，将由于群体机器人获取的搜索信息不准，影响群体机器人下一运动位置的选择，从而使搜索效率下降。

发明内容

本发明的目的在于提供仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统，以解决上述背景技术中现有机器人存在价格昂贵，搜索效率低下等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述的仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统由多个相同的机器人组成，每个机器人均包括有机架，机架上安装有驱动机器人移动的驱动模块、蓝牙模块和ARM微处理器，蓝牙模块与ARM微处理器之间通过通信接口电连接，ARM微处理器与驱动模块电连接，各个机器人之间通过蓝牙模块信号连接，建立点对点局部搜索信息共享通讯网络，根据各个机器人蓝牙模块之间的接收信号强度，计算各个机器人之间的距离，通过各个机器人之间蓝牙模块的通讯信息的调控，由ARM微处理器输出电信号控制驱动模块带动机器人移动。

作为优选，所述驱动模块包括大轮、大扭矩舵机和小轮,所述机架底部设置有两个大轮和两个小轮,所述的大轮分别与大扭矩舵机连接，蓝牙模块与ARM微处理器通过通信接口电连接，所述大扭矩舵机与ARM微处理器电连接。

作为优选，所述机架设置为圆柱形，直径为120mm，厚度为50mm。

作为优选，所述两个大轮左右对称设置于机架的底部，相距100mm。

作为优选，所述的两个小轮前后对称设置于机架的底部，相距85mm，所述两个小轮直径均为15mm，厚度为8mm。

本发明的仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统的搜索方法为：

A、将每个机器人视为多头绒泡菌原生质网络的分支点，整体视为多头绒泡菌，模仿多头绒泡菌觅食过程，实现搜索时的通讯、探测和运动；

B、设定机器人拓展搜索原则，建立点对点局部搜索信息共享模式，形成仿原生质网络的机器人信息通讯网络；

C、基于原生质管道断裂与生成原理，设定机器人搜索网络动态进化机制，调控群体机器人搜索方向；

D、设定机器人搜索运动机制，从而完成目标搜索,其中所述的机器人搜索运动机制为：通过蓝牙模块之间的接收信号强度，计算两个机器人之间的距离，计算公式为d＝10^((abs(RSSI)-A)/(10*n))，其中d为计算所得距离，RSSI为接收信号强度，A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度，n为环境衰减因子，通过各个机器人之间蓝牙模块的通讯信息的调控，由ARM微处理器输出电信号控制驱动模块带动机器人移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明为验证所涉及的仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索方法，设计了机器人硬件平台，机器人采用两大轮、两小轮的运动机构，有两大轮带动两小轮，具有360度旋转，全方位移动的优势。

2、本发明将多头绒泡菌觅食的智能行为应用于群机器人区域覆盖目标搜索的通讯、探测和运动过程，本发明技术为群机器人目标搜索提供新的方法。

3、与现有群体智能算法的群体机器人覆盖搜索方法相比，本发明技术对机器人之间通讯范围有限、无需精确定位，适用于通讯范围有限、数据计算处理能力有限的场合。本发明所涉及的群体机器人区域覆盖搜索方法的搜索效率高、实现简易、搜索成本低。

4、本发明所涉及仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统与基于粒子群算法的群体机器人搜索系统对比，前者搜索速度更快。

5、适用范围：本系统在如排雷排爆、空间探测、灾难后幸存者搜索等通讯范围和定位受限应用环境中，作为群体机器人控制系统的一部分，支持群体机器人的通讯、探测和运动控制。

附图说明

图1为本发明单个机器人的的结构示意图；

图2为本发明单个机器人的轴测结构示意图；

图3为本发明实施例中步骤一的群体机器人搜索状态结构示意图；

图4为本发明实施例中步骤二的群体机器人搜索状态结构示意图；

图5为本发明实施例中步骤三的群体机器人搜索状态结构示意图；

图6为本发明实施例中步骤四的群体机器人搜索状态结构示意图。

图中：机器人硬件部分a、控制系统b、机架1、大轮2、大扭矩舵机3、小轮4、ARM微处理器6、蓝牙模块5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-2所示，本具体实施方式的一种仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索系统由多个相同的机器人组成，每个机器人均包括有机架1，机架1上安装有驱动机器人移动的驱动模块、蓝牙模块5和ARM微处理器6，蓝牙模块5与ARM微处理器6之间通过通信接口电连接，ARM微处理器6与驱动模块电连接，各个机器人之间通过蓝牙模块5信号连接，建立点对点局部搜索信息共享通讯网络，根据各个机器人蓝牙模块5之间的接收信号强度，计算各个机器人之间的距离，通过各个机器人之间蓝牙模块5的通讯信息的调控，由ARM微处理器6输出电信号控制驱动模块带动机器人移动。

其中，所述驱动模块包括大轮2、大扭矩舵机3和小轮4，所述机架1底部设置有两个大轮2和两个小轮4,所述的大轮2分别与大扭矩舵机3连接，蓝牙模块5与ARM微处理器6通过通信接口电连接，所述大扭矩舵机3与ARM微处理器6电连接；所述机架1设置为圆柱形，直径为120mm，厚度为50mm；所述两个大轮2左右对称设置于机架1的底部，相距100mm；所述的两个小轮4前后对称设置于塑料壳体1的底部，相距85mm，所述两个小轮4直径均为15mm，厚度为8mm。

实施例：将基于多头绒泡菌智能行为的目标搜索控制系统所涉及的仿多头绒泡菌觅食行为的群体机器人区域覆盖搜索方法在Auto机器人平台上进行实验与验证，具体的搜索系统的搜索方法为：步骤一：模仿多头绒泡菌的中心，随机性分配ID，以ID值最大为机器人网络的中心；机器人尝试往某一方向移动，并且一直通过蓝牙模块5的通讯与测距信息判断中心信号的强度，再由ARM微处理器6输出电信号控制大扭矩舵机3的运动，驱使机器人往中心信号强的方向移动，实现多机器人聚集，如图3所示；步骤二：以机器人之间过度靠近时，ID大的先移动为优先原则，减少机器人碰撞频率；以步骤一所述的网络中心为中心构建半径为R的特定轨道一，若机器人远离轨道一，蓝牙模块5的信号强度下降，机器人通过控制两个大轮2的差速运动，使机器人改变运动方向，往特定轨道一靠近，当满足预设的蓝牙信号强度，某些机器人在特定轨道一附近停止；同时又以这些机器人为新的网络中心，重新构建半径为R的特定轨道二，其它的那些还在搜索运动并且远离轨道二的机器人通过蓝牙信号的强度值进行自调控，在特定轨道二附近停止，再次出现新的网络中心，以此类推，以机器人为载体构建仿原生质层网络，如图4所示；步骤三：仿原生质管道断裂，在步骤二所述的特定轨道一、特定轨道二等的附近，可能会有多个机器人停止在该轨道上，则进一步需要减少出现在同一轨道附近的机器人数量，以最少数的机器人实现该轨道区域的最大覆盖范围为原则，进行调控机器人的分布，进一步地仿原生质网络的扩张生长，构建更大的、效率更高的搜索网络，如图5所示；步骤四：群机器人的分布基本实现类似多头绒泡菌原生质管道，搜索信息基于蓝牙模块通过此链状分布传递，搜索网络扩张到寻找到目标才终止；步骤五：成功搜索目标，搜索完毕，如图6所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。