一种多台机器人动态划分作业区域的方法和系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种多台机器人动态划分作业区域的方法和系统。

背景技术

目前，移动机器人在工业、农业、医疗、服务等行业中得到了广泛的应用。并且，在实际应用中，通常由多个移动机器人共同协作完成工作任务。因此，对移动机器人的作业区域动态划分，对于提高机器人协同作业效率方面，起到了非常关键的作用。

为此，中国发明专利CN 102831319 A公开了一种机器人作业区域的动态分割方法及系统，包括：根据获取的机器人待作业区域的地图信息，分割成多个子区域进行作业；根据当前位置信息点判断机器人当前子区域作业是否结束；在所述当前位置信息点判断所述地图信息中的环境变化状态；当在所述当前位置信息点判断所述地图信息中的环境变化状态发生变化时，获取发生变化的位置信息点，在所述地图信息中滤除机器人已作业过的地图子区域信息；将滤除后剩余未作业的所述地图信息重新进行动态分割。本发明的目的在机器人作业期间，实时监测作业地图信息状态，同时对作业区域进行动态划分，使其机器人的作业效率大大提高。但是，上述技术方案存在以下问题：

1.该方案是基于一个机器人进行作业区域划分的，无法应用到多个机器人协同作业的场景。

2.该方案解决的是作业环境中由于新增障碍物的添加引起作业环境变化时，实时动态的对待作业区域进行的路线重新规划的问题，没有涉及多个机器人作业区域改变时，如何提高进出入点的效率的问题。

有鉴于此，急需对现有的多台机器人动态划分作业区域方法进行改进，一方面简化算法，另一方面提高动态协作的效率。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种多台机器人动态划分作业区域的方法，以解决现有技术，多个机器人协同作业效率低的问题。

为此，本发明提供了一种多台机器人动态划分作业区域的方法，包括以下步骤：

在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点；

将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，该作业区域有向图为闭环结构；

根据所述作业区域有向图计算获得当前作业区域内，机器人的当前位置与相邻的入口参考节点和出口参考节点的最短距离，并根据所述最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径。

在上述方法中，优选地，多个机器人初始分配作业区域时，按机器人距离作业区域的距离间隔最远的原则进行分配。

在上述方法中，优选地，如果所述最短距离的另一个节点是入口参考节点，则将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换。

在上述方法中，优选地，

当机器人离作业区域的入口参考节点较近时，从入口参考节点进入该作业区域，并从出口参考节点驶出该作业区域；

当机器人离作业区域的入口参考节点较远时，从出口参考节点进入该作业区域，并从入口参考节点驶出该作业区域。

本发明还提供了一种多台机器人动态划分作业区域的系统，包括：

作业区域划分单元，用于在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点；

作业区域有向图构建单元，用于将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，该作业区域有向图为闭环结构；

调度单元，用于根据所述作业区域有向图计算获得当前作业区域内，计算机器人的当前位置与相邻的入口参考节点和出口参考节点的最短距离，并根据所述最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径。

在上述系统中，优选地，所述调度单元根据每个机器人的初始位置，按距离作业区域的距离间隔最远的原则分配对应的初始作业区域。

在上述系统中，优选地，还包括：

节点调换单元，用于根据所述最短距离的另一个节点是入口参考节点，将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换。

在上述系统中，优选地，所述调度单元根据当机器人距离离作业区域的入口参考节点和出口参考节点的距离，调度机器人从入口参考节点进入该作业区域，并从出口参考节点驶出该作业区域；或者，从出口参考节点进入该作业区域，并从入口参考节点驶出该作业区域。

由上述技术方案可知，本发明提供的多台机器人动态划分作业区域的方法和系统，解决了现有技术，多个机器人协同作业效率低的问题。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点；将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，根据作业区域内，机器人的当前位置与相邻节点最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径，实现对作业区域的动态划分和对机器人路径的动态规划，将大块的作业区域划分为小块，提高了多台机器人的协同作业效率，且可以对作业任务进行灵活地调度。

另外，在本发明的优选方案中，如果所述最短距离的另一个节点是入口参考节点，则将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换，使得机器人可以采用最优路径进入作业区域，进一步提高了作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种多台机器人动态划分作业区域的方法流程图；

图2为本发明中一种作业区域划分的实施例示意图；

图3为本发明中一种作业区域有向图的实施例示意图；

图4为本发明中一种分配初始作业区域的实施例示意图；

图5为本发明提供的一种多台机器人动态划分作业区域的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实现原理是：

在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点；

将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，该作业区域有向图为闭环结构；

根据所述作业区域有向图计算获得当前作业区域内，机器人的当前位置与相邻的入口参考节点和出口参考节点的最短距离，并根据所述最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径。

本发明提供的方案，采用有向图算法规划路径，算法简单，且可以对机器人的作业区域灵活地进行动态调度，提高作业效率。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。

需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。

请参见图1，图1为本发明提供的一种多台机器人动态划分作业区域的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤110，在机器人的作业地图上划分出多个作业区域，多个作业区域互不重合，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点。作业区域地图和每个入口参考节点和出口参考节点的位置坐标均保存在系统服务器上，调度单元和每一个机器人都可以通过系统服务器获取作业区域地图以及每个作业区域上的入口参考节点和出口参考节点位置。

如图2所示的实施例中，中间的虚线框为机器人可以行走的通道或区域，每一个实线框为在作业地图上划分出的作业区域，例如：区域A，区域B，区域C，区域D，区域E，区域F。每一个作业区域中，空心圆表示机器人进入这个作业区域的入口参考节点，实心圆表示机器人驶出这个作业区域的出口参考节点。

步骤120，将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；相邻的两个作业区域中，将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，该作业区域有向图为闭环结构。

上级作业区域和下级作业区域通过标识顺序区分，且第一个作业区域作为最后一个作业区域的下级(闭环结构)。

通过作业区域标识区分不同的作业区域，并设定上下级关系。例如区域A是区域B的上级，区域B是区域C的上级等等，以此类推，区域F是区域A的上级，构成闭环有向图。

如图3所示的实施例中，每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边L4、L5、L7、L10、L14和L16连接。

相邻的两个作业区域A和B中，区域A是区域B的上级，因此，区域B的入口参考节点通过L1连接区域A的入口参考节点，通过L3连接区域A的出口参考节点。

相邻的两个作业区域A和F中，区域A是区域F的下级，因此，区域F的入口参考节点通过L18连接区域A的入口参考节点，通过L17连接区域A的出口参考节点。

与此类似，构建出所有的双向边L1-L18，从而形成一个有向图，用以表示机器人的作业区域信息的数据结构。

在进行路径规划的时候，将这些节点以有向图的数据结构来表示，节点之间的距离就是有向图的边长，从而将路径规划的算法抽象成为图搜索的算法，应用于机器人路径规划，算法更简单，速度快。

步骤130，根据作业区域有向图计算每一个当前作业区域内，机器人的当前位置与相邻节点的距离，并根据最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径。

计算计算机器人的当前位置与相邻节点的距离时，既包括与机器人所在作业区域内的入口参考节点和出口参考节点的距离，也包括与机器人所在作业区域相邻的作业区域的入口参考节点的距离。

例如，图3所示的实施例中，机器人以符号三角表示，其所在的作业区域为区域A，相邻的作业区域为区域B和区域F。

首先计算出机器人与各节点之间的距离，包括其与作业区域A中的入口参考节点的距离S1，与出口参考节点之间的距离S2，与相邻作业区域B中入口参考节点的距离S3，与相邻作业区域F中入口参考节点的距离S4。

然后，对上述计算出来的距离S1-S4进行比较，得到最短距离S。

最后，根据上述最短距离S，规划机器人进入下一个作业区域的路径。例如，上述实施例中，假设：

最短距离为S1，则规划得到的机器人进入下一个作业区域的路径为{S1,L4}，表示机器人会首先行驶到达区域A的入口参考节点然后进行清扫，清扫到区域A的出口参考节点后，从该出口参考节点离开区域A。

最短距离为S2，则表示机器人在区域A中先行驶到出口参考节点，然后进行清扫，清扫到区域A的入口参考节点后，从该入口参考节点离开区域A。

最短距离为S3，则表示机器人先行驶到相邻的区域Br入口参考节点，从区域B入口参考节点开始清扫区域B，到区域B的出口参考节点离开区域B。

最短距离为S4，则表示机器人先行驶到相邻的F区域的入口参考节点，从区域F的入口参考节点开始清扫区域F，到区域F的出口参考节点离开区域F。

由于基于整个的作业区域有向图，对所有的机器人都进行最短距离计算，因此，对于同一个作业区域而言，不可能出现两个最小距离，因此，不同的机器人不会同时进行同一个作业区域，提高了多台机器人之间的协作效率。

在本发明方法中，如果最短距离S的另一个节点是作业区域的入口参考节点，则将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换。这样，就不需要机器人远距离行驶到原来设定的入口参考节点，在该作业区域完成作业任务之后，从调换后的出口参考节点(原入口参考节点)驶出就可以了，因此，通过调换入口参考节点和出口参考节点的方式，提高了机器人的作业效率。

由此，当机器人离作业区域的入口参考节点较近时，从入口参考节点进入该作业区域，并从出口参考节点驶出该作业区域；当机器人离作业区域的入口参考节点较远时，从出口参考节点进入该作业区域，并从入口参考节点驶出该作业区域。

另外，在本发明方法中，多个机器人初始分配作业区域时，按作业区域距离最远的原则进行分配。

例如，图4所示的实施例中，有两个机器人M1和M2协同工作，则在最终分配作业任务时，根据机器人的初始位置，将机器人M1分配到区域A，将机器人M2分配到区域D，以避免机器人产生接近或相撞的冲突。

本发明中，作业区域可以根据作业完成情况进行动态划分。即初始时，对整个作业区域进行划分，多台机器人协同作业一段时间后，可以将已经完成的作业区域排除，对未完成的作业区域再次进行动态划分，从而动态地提高多台机器人的协同作业效率。

在以上方法的基础上，本发明还提供了一种多台机器人动态划分作业区域的系统。

如图5所示，该系统包括作业区域划分单元10、作业区域有向图构建单元20、调度单元30、节点调换单元40和系统服务器50。作业区域划分单元10、作业区域有向图构建单元20、调度单元30和节点调换单元40设置在系统服务器50上。

作业区域划分单元10用于在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点，作业区域地图和每个入口参考节点和出口参考节点的位置坐标均保存在系统服务器上，调度单元和每一个机器人都可以通过系统服务器获取作业区域地图以及每个作业区域上的入口参考节点和出口参考节点位置。。

作业区域有向图构建单元20用于将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图，该作业区域有向图为闭环结构。

调度单元30用于根据作业区域有向图，计算当前作业区域内，机器人的当前位置与相邻节点的距离，并根据最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径。

节点调换单元40用于根据上述最短距离的另一个节点是入口参考节点，将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换。

综合以上具体实施例的描述，本发明提供的多台机器人动态划分作业区域的方法和系统，与现有技术相比，具有如下优点：

首先，在作业地图上划分出多个作业区域，并在每个作业区域上设置入口参考节点和出口参考节点；将每一个作业区域中的入口参考节点和出口参考节点通过双向边连接；将上级作业区域中的入口参考节点和出口参考节点分别通过双向边与下级作业区域中的入口参考节点连接，由此构建出作业区域有向图。根据最短距离动态调度机器人进入下一个作业区域的路径，由此，多台机器人协同工作时，将大块的作业区域划分为小块的，由不同的机器人进行，并且多台机器人之间不会发生资源抢占和路径冲突，更有效率的进行分配，提高了作业效率，且算法简单，可以灵活地修改有向图，达到对机器人作业区域的动态调度。

第二、如果最短距离的另一个节点是入口参考节点，则将该作业区域的入口参考节点与出口参考节点进行调换。使得机器人可以就进进入作业区域，进一步提高了效率。

第三、可以通过修改有向图的指引关系，实现对作业区域的灵活划分，使用方便。

最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。