尚文，顏欽

（蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215011）

基于Qt的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)調(diào)仿真系統(tǒng)研究

尚文，顏欽

（蘇州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇蘇州215011）

多機(jī)器人系統(tǒng)一直是機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，針對(duì)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)問題開發(fā)了一個(gè)基于Qt的仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能仿真機(jī)器人的各種典型運(yùn)動(dòng)行為，比如定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、漫游等，同時(shí)嵌入了多機(jī)器人的協(xié)調(diào)算法，從而可以更直觀地驗(yàn)證和顯示多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)行為。

Qt；多機(jī)器人系統(tǒng)；協(xié)調(diào)；仿真

多機(jī)器人系統(tǒng)，與單個(gè)機(jī)器人相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如，能通過彼此的合作完成某些單個(gè)機(jī)器人不能完成的任務(wù)；由于其內(nèi)在的并行性，在完成任務(wù)時(shí)可能具有更高的效率；由于在功能上有互補(bǔ)，因而可以提高系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)能力。正因?yàn)槎鄼C(jī)器人系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使得其在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、空間探索、醫(yī)學(xué)、交通控制、服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景并已經(jīng)得到了一定的實(shí)際應(yīng)用。多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)是多機(jī)器人系統(tǒng)研究中的主要內(nèi)容，其中尋求有效的協(xié)調(diào)機(jī)制是研究的重點(diǎn)，而要驗(yàn)證協(xié)調(diào)機(jī)制的有效性則需要將協(xié)調(diào)控制算法作用于實(shí)際的機(jī)器人上，但對(duì)于有幾十甚至上百個(gè)機(jī)器人組成的多機(jī)器人系統(tǒng)而言，費(fèi)用將是不得不考慮的一大問題，因此，許多研究機(jī)構(gòu)通過搭建仿真系統(tǒng)來進(jìn)行驗(yàn)證。目前國內(nèi)關(guān)于機(jī)器人系統(tǒng)的仿真有借助Microsoft Robotics Studio的運(yùn)動(dòng)仿真[1－3]，基于OpenGL的機(jī)器人漫游系統(tǒng)仿真[4]，以及自重構(gòu)機(jī)器人的仿真[5]，文獻(xiàn)[3，6]討論了雙工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接的仿真，文獻(xiàn)[7]討論了多機(jī)器人任務(wù)級(jí)的協(xié)調(diào)仿真。筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單有效的用于多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)的仿真平臺(tái)，與文獻(xiàn)[7]中的方法類似，但借助Qt這一強(qiáng)大的跨平臺(tái)圖形開發(fā)工具[8]，實(shí)現(xiàn)了將多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制機(jī)制進(jìn)行直觀形象的驗(yàn)證仿真。

文中內(nèi)容安排如下，首先介紹仿真系統(tǒng)中關(guān)于機(jī)器人的各個(gè)功能模塊，包括運(yùn)動(dòng)模塊、聲納傳感模塊和環(huán)境建模形式，然后介紹以前提出的一種多機(jī)器人協(xié)調(diào)算法，在驗(yàn)證仿真部分，介紹典型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的仿真以及多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仿真。

1　機(jī)器人相關(guān)模型

1.1運(yùn)動(dòng)模型

在仿真環(huán)境中，機(jī)器人采用多邊形表示機(jī)器人的本體，右邊三角形的頂點(diǎn)所示方向表示機(jī)器人的前進(jìn)方向，中間方框里的圓點(diǎn)表示機(jī)器人的中心點(diǎn)位置，如圖1所示。

圖1　機(jī)器人本體模型

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型以具有兩個(gè)差分驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)負(fù)責(zé)平衡的萬向輪組成的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來建模，以機(jī)器人本體的中心點(diǎn)為中心將其虛擬化為一個(gè)具有方向的運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)。在二維環(huán)境中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有在時(shí)刻t時(shí)X和Y軸方向的位置坐標(biāo)x（t）和y（t），X和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)速度vx（t）和vy（t），角度θ（t）和旋轉(zhuǎn)角速度w（t），如圖2所示。在運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)的更新方程為

1.2環(huán)境模型

機(jī)器人工作的環(huán)境利用直線段來描述環(huán)境空間的分布布局，圖3為設(shè)計(jì)的環(huán)境模型格式，第一行為模型中的直線段的數(shù)目，以下每一行表示一條直線段，用直線段的起始點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)表示。環(huán)境模型以文件形式存于本地，在仿真平臺(tái)上可以加載進(jìn)行顯示。

1.3聲納傳感模型

聲納傳感器和蝙蝠辨別障礙物的原理類似，能夠利用超聲波的回聲來測得周圍障礙物的距離信息。在建模時(shí)，機(jī)器人前方裝配有10個(gè)聲納傳感器，其中左右兩邊各有2個(gè)，前方以20°的角度間隔有6個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)全方位探測前方的障礙距離信息。每個(gè)聲納探測到的距離信息以灰色的直線段來表示，圖4（a）所示為周圍沒有障礙物的聲納距離信息，此時(shí)灰色線段表示了聲納所能檢測的最大距離，當(dāng)機(jī)器人距離障礙物較近時(shí)，灰色直線段的長度顯示了實(shí)際的距離信息，如圖4（b）所示。

圖2　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)示意圖

圖3　環(huán)境模型示例

圖4　聲納感知模型

2　多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制模塊

文獻(xiàn)[9]提出了一種資源約束的多機(jī)器人協(xié)調(diào)調(diào)度方法，對(duì)于裝配有不同資源（比如視覺系統(tǒng)、抓手或者激光等傳感器）的多機(jī)器人系統(tǒng)，通過集中的最優(yōu)任務(wù)分配優(yōu)化方法，規(guī)劃出每個(gè)機(jī)器人要完成的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。該多機(jī)器人系統(tǒng)采用集劃分的建模方法，利用不同資源的多機(jī)器人系統(tǒng)之間的資源同步來計(jì)算最優(yōu)的任務(wù)分配方案。計(jì)算過程包括兩個(gè)階段：第一階段計(jì)算具有同步約束的任務(wù)分配方案；第二階段計(jì)算具體的時(shí)間調(diào)度。具體建模如下：

第一階段建模

最大化

其中，目標(biāo)函數(shù)表示最大化完成任務(wù)的報(bào)酬減去付出的總的代價(jià)，在目標(biāo)函數(shù)中，第一項(xiàng)表示完成任務(wù)的報(bào)酬，第二項(xiàng)表示每個(gè)機(jī)器人完成任務(wù)付出的代價(jià)之和，約束（3）表明每個(gè)機(jī)器人只能分配最多一個(gè)任務(wù)，約束（4）表示每個(gè)任務(wù)最多只能被一個(gè)機(jī)器人來完成，約束（5）表示完成任務(wù)計(jì)劃所需要的資源必須小于或等于每個(gè)機(jī)器人所擁有的資源，約束（6）表示完成任務(wù)計(jì)劃所需要的資源的功能值必須小于或等于每個(gè)機(jī)器人所擁有的資源功能值。

第二階段計(jì)算當(dāng)存在資源同步的時(shí)候，如何調(diào)度每個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行時(shí)間。某個(gè)任務(wù)的執(zhí)行需要不同的資源，而這些資源被不同的機(jī)器人所擁有，因此，其中一個(gè)機(jī)器人在到達(dá)任務(wù)執(zhí)行地點(diǎn)后，需要等待擁有其他資源的機(jī)器人都到達(dá)任務(wù)執(zhí)行地點(diǎn)才可一起執(zhí)行該任務(wù)。具體建模為：

最小化

其中目標(biāo)函數(shù)最小化所有任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，約束（8）表示任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間、機(jī)器人本應(yīng)到達(dá)時(shí)間和延遲時(shí)間之間的關(guān)系，約束（9）表示機(jī)器人達(dá)到延遲時(shí)間和執(zhí)行任務(wù)延遲時(shí)間之間的關(guān)系，約束（10）表示任務(wù)和任務(wù)要求時(shí)間上同步，具體如圖5所示。

以上協(xié)調(diào)調(diào)度問題利用CPLEX的Branch-and-bound方法和LP方法可以求解，在仿真系統(tǒng)中，將該模塊作為仿真系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制模塊，當(dāng)輸入模型的參數(shù)，計(jì)算出相關(guān)的任務(wù)調(diào)度方案之后，多機(jī)器人系統(tǒng)就開始自動(dòng)執(zhí)行所分配的任務(wù)。

3　運(yùn)動(dòng)仿真

開發(fā)的仿真系統(tǒng)如圖6所示，主要功能有加載環(huán)境模型、典型運(yùn)動(dòng)，包括直線前進(jìn)和后退，逆時(shí)和順時(shí)旋轉(zhuǎn)、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、漫游和多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖5　任務(wù)調(diào)度關(guān)系

圖6　仿真系統(tǒng)操作界面

3.1加載環(huán)境模型

在文件菜單中點(diǎn)擊加載地圖，選擇要加載的地圖模型文件，在視圖中即顯示出環(huán)境模型地圖。圖7（a）為加載的辦公室環(huán)境模型，圖7（b）為加載的迷宮環(huán)境模型。環(huán)境模型視圖可以進(jìn)行平移、放大和縮小以觀察局部細(xì)節(jié)或擴(kuò)大視野范圍。

3.2典型運(yùn)動(dòng)實(shí)例

以在辦公室環(huán)境中的兩個(gè)機(jī)器人作為實(shí)例，驗(yàn)證機(jī)器人的典型運(yùn)動(dòng)，包括直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和漫游。圖8為兩個(gè)機(jī)器人在連續(xù)采樣時(shí)刻的直線運(yùn)動(dòng)序列，機(jī)器人身后直線段是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖9為兩個(gè)機(jī)器人在連續(xù)采樣時(shí)刻的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)序列。圖10為機(jī)器人的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)序列。圖11是機(jī)器人在環(huán)境中漫游的運(yùn)動(dòng)序列。

圖7　加載環(huán)境模型

圖8　直線運(yùn)動(dòng)實(shí)例

圖9　旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)例

圖10　定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)例

圖11　漫游實(shí)例

3.3多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)例

以文獻(xiàn)[9]中的實(shí)例為例進(jìn)行驗(yàn)證，首先設(shè)置協(xié)調(diào)模型參數(shù)，包括機(jī)器人和任務(wù)的數(shù)目和位置，第一和第二階段的模型參數(shù)，在協(xié)調(diào)控制模塊計(jì)算出結(jié)果后開始執(zhí)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，如圖12所示。圖13是協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)序列。當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中存在障礙物時(shí)，機(jī)器人會(huì)繞過障礙物，再運(yùn)動(dòng)到執(zhí)行任務(wù)的位置處。如圖14所示，機(jī)器人2運(yùn)動(dòng)過程中遇到障礙物，機(jī)器人2開始避障，當(dāng)確定遠(yuǎn)離障礙物后，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到任務(wù)3處，再進(jìn)行后續(xù)的任務(wù)。

圖13　協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)序列

圖14　有障礙物時(shí)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)例

4　結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Qt的多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，該平臺(tái)能夠驗(yàn)證各種機(jī)器人控制算法，并集成了多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制，從而能夠更方便直觀地測試各種多機(jī)器人系統(tǒng)的控制。

[1]黃立，葉益斌，張輝.基于Microsoft Robotics Studio的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].機(jī)電工程，2010，27（8）：122-126.

[2]麥曉春，張新征，楊厚強(qiáng)，等.基于微軟機(jī)器人控制仿真平臺(tái)的路徑規(guī)劃仿真[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S1）：55-58，101.

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Research on Qt-based multi-robot coordination simulation system

SHANG Wen，YAN Qin
（School of Mechanical Engineering，SUST，Suzhou 215011，China）

Multi-robot system is a hot topic in the robotic field.We have developed a new Qt-based simulation system for multi-robot coordination which can simulate all kinds of typical robotic motions,such as fixed-point motion,wandering,etc.Multi-robot coordination mechanism and algorithm have been embedded in the simulation system.Thus the coordination can be intuitively verified and displayed.

Qt；multi-robot system；coordination；simulation

TP24

A

1672－0687（2016）01－0065－05

責(zé)任編輯：艾淑艷

2015－11－09

國家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305287）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20130624；13KJB510034）；?？蒲谢鹳Y助項(xiàng)目（XKZ201312）

尚文（1978-），女，山東菏澤人，講師，博士，研究方向：多機(jī)器人系統(tǒng)，自動(dòng)化。