本发明涉及机器人及编队控制领域，尤其涉及基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法及机器人设备。
背景技术：
随着嵌入式系统计算和通信能力的提高,以及分布式思想的发展,对于机器人编队的应用需求越来越多。基于分布式协同的机器人编队运行需要依赖与其他机器人之间的通信，根据通信所获取的其他机器人的信息来对机器人自身的位置和速度信息进行修正以实现机器人稳定运行。因此，在多机器人协同编队的运行过程中保持通信良好对于其正常工作非常重要。
基于分布式协同的机器人编队以通信拓扑矩阵的形式与邻接机器人通信，每个机器人只能获取编队中部分机器人的信息，根据获取的信息结合自己的位姿信息计算速度、控制运动路径。该方法的问题有：
1、机器人无法获知全局信息，很容易因受到外部攻击或障碍物影响而脱离编队，使编队无法正常运行；
2、一旦某个机器人因超出通信范围而丢失，无法及时地恢复与编队的通信。
现有技术中，cn201280002179.3(通信恢复的方法、装置和系统)提供了一种基于控制端和机器人终端的通信恢复方法，该方法要求移动机器人确认在第一位置的无线网络信号质量不满足条件时，控制端向机器人发送移动路线使其移动到第二位置以满足信号要求，这种集中式控制的方法存在运算量大、智能化弱的缺点，无法适用于分布式协同编队。
综上所述，现有技术存在集中式体系运算量大、智能化弱的缺点，同时没有分布式的解决方案，无法有效地恢复分布式协同的机器人编队中因超过通信范围而中断的通信、并使通信中断的机器人及时归队。
因此，针对现有技术的不足，本领域的技术人员致力于开发基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法及机器人设备，设计合理，实用性强，运算量相对较小，能够有效地解决机器人编队中因通信造成机器人无法归队的问题。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种设计合理，实用性强且可以有效地解决现有技术存在的集中式体系运算量大、智能化弱、没有提供分布式解决方案、无法有效地恢复机器人编队中因超过通信范围而丢失机器人的问题的方法及设备。
为实现上述目的，本发明提供了基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，所述分布式协同的机器人编队包括：根据所述机器人位姿平均一致性或基于领航者-跟随者的分布式控制方法使多个所述机器人在工作环境中以固定队型进行运动；所述基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法包括以下步骤：
步骤1：多个所述机器人实现所述分布式协同的机器人编队；
步骤2：所述机器人存储机器人编队通信拓扑中父节点的历史信息；
步骤3：所述机器人判断自身是否通信丢失，如果丢失，则进入步骤4，否则回到步骤1；
步骤4：所述机器人根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的运动目标；
步骤5：所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式，并按照所述最优运动方式回到编队通信范围中。
进一步地，所述步骤1中的所述机器人编队通信拓扑为：以所述机器人编队中每个所述机器人作为通信节点，存在有向通信的两个节点之间由一条有向边连接，所有的所述有向边共同形成整个所述机器人编队的拓扑结构。
进一步地，所述步骤2中的所述父节点具体为：如所述机器人编队通信拓扑中的两个所述通信节点之间存在所述有向边连接，则有信息流出的所述通信节点为所述父节点。
进一步地，所述步骤2中的所述历史信息包括：位姿信息和速度信息，所述位姿信息包括所述机器人的位置和朝向。
进一步地，所述步骤3中的所述机器人判断自身是否通信丢失的方法包括：参数衡量法、定时检测法。
进一步地，所述步骤4中的所述机器人根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的运动目标的方法，包括：参数回归法、机器学习法。
进一步地，所述步骤5中的所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式包括：全局规划，即利用所述全局规划规划出最短时间的所述机器人的运动路径。
进一步地，所述步骤5中的所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式还包括：局部规划，利用所述局部规划控制所述机器人沿着所述全局规划的所述运动路径进行运动。
本发明还公开了基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的机器人设备，包括以下模块：
模块1、通信模块，用于与相邻所述机器人实现通信；
模块2、存储模块，用于存储所述父节点的所述历史信息；
模块3、检测模块，用于检测是否处于所述通信丢失的状态；
模块4、预测模块，用于根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的所述运动目标；
模块5、规划模块，用于根据所述父节点的所述运动目标规划所述机器人的所述运动路径；
模块6、运动控制模块，编队运动时用于实现多个所述机器人的所述分布式协同，恢复通信时根据所述规划模块规划的所述运动路径控制所述机器人回到所述编队通信范围中。
进一步地，所述模块的机能由计算机程序指令相关的硬件来完成，所述程序存储于所述机器人所配主板计算机上的可读取存储介质中，所述硬件安装在所述机器人上。
相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：
1、设计合理，实用性强，所需运算量相对较小，有效地解决了机器人编队中因通信造成机器人无法归队的问题；
2、可实现更大编队规模：本发明基于分布式协同进行机器人编队，体系运算量相对小、智能化高、抗环境干扰能力强，能够在与现有技术同一运算量的基础上实现更大规模的机器人编队；
3、实施维护简便：机器人设备采用模块化设计，模块间相对独立，可以使整体实施、机器人日常维护更方便、快捷。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的流程图；
图2是本发明一个较佳实施例的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的编队通信拓扑；
图3是本发明一个较佳实施例的基于分布式协同的机器人编队通信恢复的机器人设备的结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明提供基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，包括，
步骤1、多个机器人实现分布式协同的机器人编队。
多个机器人分布式协同的机器人编队包括：根据机器人位姿平均一致性或基于领航者-跟随者体系实现，使多个机器人通过领航者和跟随者的分布式控制方法实现在工作环境中以某种固定的队型进行运动。
步骤2、机器人存储机器人编队通信拓扑中父节点的历史信息。
如图2所示，编队中每个机器人作为通信节点，存在有向通信的两个节点之间由一条有向边连接，图2中1节点与5节点之间即存在一条从5节点指向1节点的有向边，表示信息从5节点流向1节点，以此形成的整个编队的拓扑结构为编队通信拓扑。
编队通信拓扑中的父节点，具体为：如果通信拓扑中的两个节点之间存在有向边连接，则有信息流出的节点为父节点，图2中1节点与5节点存在一条从5节点指向1节点的有向边，表示信息从5节点流向1节点，故5节点为1节点的父节点。
机器人存储的通信拓扑中父节点的历史信息，包括：机器人的位姿信息和速度信息，位姿信息还包括机器人位置和朝向。
步骤3、机器人判断自身是否通信丢失，如果丢失，则进入步骤4，否则回到步骤1。
机器人判断自身是否通信丢失的方法，包括：参数衡量法、定时检测法；先设定通信质量衡量参数，然后以一定时间间隔进行通信质量检测，如检测中一段时间内检测参数持续反映出低通信质量，则可以判断机器人自身处于通信丢失的状态。
步骤4、机器人根据父节点的历史信息预测父节点的运动目标。
机器人根据父节点的历史信息预测父节点的运动目标的方法，包括：参数回归法、机器学习法；如利用最小二乘法回归父节点运动方程的参数。
步骤5、机器人根据父节点的运动目标规划出自己的最优运动方式，并按照该运动方式回到编队通信范围中。
机器人根据步骤4取得的父节点的运动目标规划出自己的最优运动方式，包括：全局规划和局部规划，先利用全局规划规划出最短时间的机器人的运动路径，再利用局部规划控制机器人沿着全局规划的运动路径进行运动。
如图3所示，本发明提供基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的机器人设备，包括以下模块：
模块1、通信模块，用于与相邻机器人实现通信；
模块2、存储模块，用于存储机器人父节点的历史信息；
模块3、检测模块，用于检测机器人是否处于通信丢失的状态；
模块4、预测模块，用于根据父节点的历史信息预测父节点的运动目标；
模块5、规划模块，用于根据父节点的运动目标规划机器人的运动路径；
模块6、运动控制模块，编队运动时用于控制机器人实现多机器人分布式协同并按照固定队形运动，恢复通信时根据规划模块规划的运动路径控制机器人回到编队通信范围中。
本机器人设备的各模块是逻辑意义上的，模块机能由计算机程序指令相关的硬件来完成。具体实现时，多个模块可以根据实际需要合并成一个模块，一个模块也可以酌情拆分成多个子模块，同时搭载本机器人设备中的各模块可以完成更多样化的任务。
上述计算机程序存储于机器人所配主板计算机上的可读取存储介质中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等；上述硬件应安装在机器人上。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
1.基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述分布式协同的机器人编队包括：根据所述机器人位姿平均一致性或基于领航者-跟随者的分布式控制方法使多个所述机器人在工作环境中以固定队型进行运动；所述基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法包括以下步骤：
步骤1：多个所述机器人实现所述分布式协同的机器人编队；
步骤2：所述机器人存储机器人编队通信拓扑中父节点的历史信息；
步骤3：所述机器人判断自身是否通信丢失，如果丢失，则进入步骤4，否则回到步骤1；
步骤4：所述机器人根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的运动目标；
步骤5：所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式，并按照所述最优运动方式回到编队通信范围中。
2.如权利要求1所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤1中的所述机器人编队通信拓扑为：以所述机器人编队中每个所述机器人作为通信节点，存在有向通信的两个节点之间由一条有向边连接，所有的所述有向边共同形成整个所述机器人编队的拓扑结构。
3.如权利要求2所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤2中的所述父节点具体为：如所述机器人编队通信拓扑中的两个所述通信节点之间存在所述有向边连接，则有信息流出的所述通信节点为所述父节点。
4.如权利要求3所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤2中的所述历史信息包括：位姿信息和速度信息，所述位姿信息包括所述机器人的位置和朝向。
5.如权利要求1所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤3中的所述机器人判断自身是否通信丢失的方法包括：参数衡量法、定时检测法。
6.如权利要求1所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤4中的所述机器人根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的运动目标的方法，包括：参数回归法、机器学习法。
7.如权利要求1所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤5中的所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式包括：全局规划，即利用所述全局规划规划出最短时间的所述机器人的运动路径。
8.如权利要求7所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法，其特征在于，所述步骤5中的所述机器人根据所述父节点的所述运动目标规划出自身的最优运动方式还包括：局部规划，利用所述局部规划控制所述机器人沿着所述全局规划的所述运动路径进行运动。
9.一种如权利要求1～8任一所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的机器人设备，包括以下模块：
模块1、通信模块，用于与相邻所述机器人实现通信；
模块2、存储模块，用于存储所述父节点的所述历史信息；
模块3、检测模块，用于检测是否处于所述通信丢失的状态；
模块4、预测模块，用于根据所述父节点的所述历史信息预测所述父节点的所述运动目标；
模块5、规划模块，用于根据所述父节点的所述运动目标规划所述机器人的所述运动路径；
模块6、运动控制模块，编队运动时用于实现多个所述机器人的所述分布式协同，恢复通信时根据所述规划模块规划的所述运动路径控制所述机器人回到所述编队通信范围中。
10.如权利要求9所述的基于分布式协同的机器人编队通信恢复方法的机器人设备，其特征在于，所述模块的机能由计算机程序指令相关的硬件来完成，所述程序存储于所述机器人所配主板计算机上的可读取存储介质中，所述硬件安装在所述机器人上。
技术总结