[发明专利]一种基于动态目标追踪的多无人机未知室内空间探索方法

说明书

本发明公开了一种基于动态目标追踪的多无人机未知区域协同探索方法。目的是提高无人机探索无GPS信号未知空间区域效率。技术方案是构建由基站、无人机组成的多无人机协同探索系统；无人机包括硬件层和软件层，软件层包括感知定位模块、地图边界环绕模块、接力追踪模块、地图边界绘制模块和电量控制模块，基站上安装总控制软件；采用多无人机协同探索系统对未知室内空间进行探索：地图边界环绕模块采用Wall‑Around算法对未知区域边界进行探索；接力追踪模块采用Tracking‑D*Lite算法控制无人机之间接力；将所有无人机绘制的轨迹图拼接得到边界轮廓图。本发明能有效完成未知空间探索，绘制边界轮廓图既准确又快速。

技术领域

本发明涉及多机器人协作系统领域，具体涉及一种基于动态目标追踪的多无人机在无GPS信号的未知室内区域协同探索方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展和进步，单个移动机器人已经难以通过自身完成复杂繁琐的工作任务，难以完成生产实践的工作指标，人们开始迫切需要研究新的方向来满足机械领域中的实际需要，于是多机器人协作系统得到了越来越多的重视，成为了各国研究人员的重点研究内容。围绕着任务分配、规划以及控制这一领域展开，对于多机器人系统的主要研究内容包括多机器人系统的体系结构、控制、规划、导航定位和通讯交流等。

相较于单机器人而言，多机器人组成的协作系统体现了一定的优越性。首先，多机器人系统对环境表现较强的适应能力，在工作任务中表现出较强的灵活性和变通能力，在功能上和空间上的分布性优于单机器人。其次，多机器人系统的承载能力强，多机器人系统作为一个群体，每个机器人各自工作的同时协调配合其他机器人的工作，使得工作时间大大缩短，有效提高生产效率，工作承载能力较强。最后，多机器人系统的鲁棒性高，任务的完成需要每个机器人的参与，而不是完全取决于单个机器人，一旦某一个机器人出错或者发生故障，可以通过控制调度系统交给其它的机器人完成相应的任务，因此具有较强的容错性和鲁棒性。

无人机是机器人系统中应用最为典型且广泛的，其不仅潜移默化的改变着人们的生活方式，还将在未来的产业和商业乃至民用、军用领域引起了一场重大的变革。无人机因其性价比高、灵活性强、经得起损耗等优势，不仅能够取代人完成一些简单的重复性劳动，如农业灌溉、定点巡逻、快递投放等，还能够在未知的复杂环境或危险环境中替代人完成具有危险性或者特殊难度的任务，如地形测绘、事故灾害现场勘探即救援等。但由于任务需求的不断增加，多变繁杂的应用场景对无人机提出了更多的要求和挑战。因此，由于单无人机数据处理能力低、应用任务场景少等限制，多无人机组成一套多机器人协同系统是一种必然趋势。

无人机由于其灵活性和低危险性等特点在探索无GPS信号未知室内空间方面得到了大量发展，特别是对于危险区域的探索，比如有毒气体泄露的工厂、地震之后的危楼、具有危险核辐射的地区等。因此，对无GPS信号的未知室内空间的探索任务是多无人机协同系统的应用场景之一。针对无GPS信号的复杂未知室内空间场景，可将该多无人机协同系统划分为控制结构、协作定位、路径规划和通讯四个子任务模块。

传统的多机器人系统控制结构可分为集中式结构和分布式结构，集中式结构有一个负责全局规划的控制中心，这个中心可以由群体中的某个机器人担任，也可以由群体以外的设备担任。分布式控制中每一个机器人都是平等、自主的智能体，可以根据自己的目标以及当前环境进行决策。虽然集中式结构拥有全局信息，可以得到规划、协调的优化解，但是分布式结构在鲁棒性、灵活性、可扩展性等方面优于集中式结构。

多机器人的协作定位是指依靠机器人自身携带的传感器、无线通信设备，通过分布式感知、信息共享、相对观测等方式实现整个机器人群体的定位。在信息获取、环境的感知等方面单个机器人的能力就非常有限，尤其在复杂环境定位是移动机器人系统需解决的关键之一，精确的定位能力是移动机器人完成指定任务的前提。

路径规划是由指定的起点到终点在空间中找到一组避开障碍物并且有先后顺序的空间位置点，路径规划问题是机器人研究中最基本的研究问题，具有很多不同类型的算法。