[发明专利]基于视线和力反馈的移动机器人编队导航半自主控制方法

说明书

本发明公开了基于视线和力反馈的移动机器人编队导航半自主控制方法;该系统由主端，从端和通讯环节三部分组成。主端包含一个操作员，一台眼动仪，一台手控器和一台控制计算机。从端包括多移动机器人系统，摄像头和工作环境。主从端之间通过WiFi等进行无线通信。从端的多移动机器人系统具有半自主控制能力，利用虚拟刚体算法实现多移动机器人的自动避障与队形保持。主端通过利用眼动仪捕捉操作员的视线信号将其转换成从端的队形切换命令,结合手控器末端控制器的三个自由度进而对从端进行远程干预。该控制方法将力反馈与视线跟踪相结合，将视线跟踪应用到多移动机器人的控制中，减轻了操作员的认知负荷，提高了遥操作控制系统的效率与稳定性。

技术领域

本发明涉及基于视线和力反馈的移动机器人编队导航半自主控制方法。

背景技术

多机器人系统具有良好的冗余性、鲁棒性以及可扩展性等优点，近年来被广泛研究，并用于大范围的侦察探测、安全巡检以及搜救等任务。然而这些环境往往复杂多变，而对多移动机器人采用全自主的控制方法实现困难，因此目前比较可行有效的方法是与遥操作技术相结合以在那些人类难以接近的或者会对人类造成伤害的复杂环境执行任务。

为了应对复杂多变的环境，多机器人在执行任务时需要实现队形的切换。在已有技术中，队形切换的实现主要采用两种方法：一种是利用人机交互设备的末端HIP的位置给出不同的目标队形命令，另一种利用算法让从端机器人根据不同的环境自动实现队形的切换。对于第一种方法而言，由于人机交互设备同时还需控制从端机器人的目标速度，而且将位置信息转换成目标队形命令不够直观需要操作者时刻保持高度警觉。这种方式加重了操作员的认知负荷，效率低，容易疲劳。对于第二种方法，算法实现困难，系统容易不稳定。

发明内容

本发明的目的是将视线跟踪引入多移动机器人的主端控制回路中，结合力信息的反馈，使得多移动机器人在编队导航过程中可以根据不同的环境在躲避障碍物的同时及时准确地完成队形的切换顺利到达目标位置。

本发明采取的技术方案为：基于视线和力反馈的移动机器人编队导航半自主控制方法，由主端、从端和通讯环节组成；所述主端包括操作员、视觉跟踪设备、力反馈人机接口设备和控制计算机；所述从端包括多移动机器人、摄像头和工作环境组成；所述通讯环节采用WiFi或其他无线通讯方式；

所述主端的操作员通过视觉跟踪设备和力反馈人机接口设备进行交互，将控制命令通过通讯环节发送给从端的多移动机器人系统；所述多移动机器人系统包括由n个移动机器人组成的多移动平台系统；

所述视觉跟踪设备用于捕捉操作员的视觉信号，并将这种信息转换为从端多移动机器人的目标队形控制指令；从端的多移动系统根据收到的指令形成预期队形。

所述力反馈人机接口设备具有三自由度的输出反馈，用于将从端多机器人系统的状态以力信号的方式反馈给主端；

所述控制计算机利用可视化界面对从端多移动平台的目标队形进行预定义，并以图片的形式显示在界面上，利用视觉跟踪设备捕捉操作员的眼动信息，根据操作员所注视的图形，形成对应的点击事件；从端机器人做相应的队形切换。

所述摄像头用于将多机器人的状态以及从端环境以视频或图片的方式反馈给主端。

根据操作员所注视的图形，所述多移动机器人系统采用虚拟刚体算法进行编队控制，将从端的多机器人系统看作一个整体，其中每个机器人自动实现队形保持与自动避障，通过这种方式操作者可以专注于从端机器人群的整体控制，而不用担心单个机器人是否会碰到障碍物。

其中每个机器人与相邻机器人之间的位姿时一定，不会随着虚拟刚体的运动而发生变化，当虚拟刚体察觉到障碍物或者接收到队形切换的指令时，虚拟刚体中的矢量间的相对位姿就会发生相应的变化重新以另外一种刚体出现；用这种方式来自动实现队形保持与自动避障。