【技術實現步驟摘要】
本申請屬于模型構建領域，具體涉及一種自重構模塊化運載單元的構型生成方法及生成系統。
技術介紹
1、近年來，隨著科技日新月異的發展，智能機器人被廣泛應用于生產、醫療、教育和安保等領域，其中，可重構模塊化機器人成為研究熱點之一。可重構模塊化機器人包括多個相同模塊，每個模塊具有相同的形狀和尺寸，可以根據需要自主組裝形態，完成不同任務。然而，可重構模塊化機器人的構型設計仍面臨著一定的挑戰。
2、模塊化機器人系統的結構優化問題起始于模塊化機械臂系統，采用枚舉算法先找到所有非同構配置，再在其中選擇最優的構型配置。然而這種算法的計算效率極為低下。隨后的研究將研究范圍擴展了到各種模塊化機器人系統，增強了計算效率。然而，隨著模塊數量的增加，所有可能機器人構型的集合呈指數增長，因此通過窮舉搜索找到最優的構型配置變得不切實際。
技術實現思路
1、為至少在一定程度上克服相關技術中存在的問題，本申請提供了一種自重構模塊化運載單元的構型生成方法及生成系統。
2、根據本申請實施例的第一方面，本申請提供了一種自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其用于將兩個以上自重構模塊化運載單元生成模塊化運載單元集群，包括以下步驟：
3、將自重構模塊化運載單元的構型問題解耦為隊形構型問題和朝向構型問題；
4、求解隊形構型問題，得到最優隊形構型；
5、根據最優隊形構型求解朝向構型問題，得到最優朝向構型；
6、根據最優隊形構型和最優朝向構型得到自重構模塊化運載單
7、上述自重構模塊化運載單元的構型生成方法中，所述自重構模塊化運載單元的構型矩陣為：
8、
9、式中，r表示模塊化運載單元中車輪的半徑，θi(i＝1,…n)表示第i個模塊化運載單元的朝向，ri,x表示每一個模塊化運載單元相對于模塊化運載單元集群構型的幾何中心在x方向上的相對位置，ri,y表示每一個模塊化運載單元相對于模塊化運載單元集群構型的幾何中心在y方向上的相對位置。
10、上述自重構模塊化運載單元的構型生成方法中，所述求解隊形構型問題的過程為：
11、采用基于樹狀結構的裝配關系矩陣描述模塊化運載單元的隊形構型；
12、采用位置矩陣描述下一個模塊化運載單元與當前模塊化運載單元之間的位置關系；
13、采用旋轉矩陣描述下一個模塊化運載單元與當前模塊化運載單元之間的旋轉關系；
14、模塊化運載單元的幾何中心位置與基于樹狀結構的裝配關系矩陣為兩種不同的描述模塊化運載單元的隊形構型的方式；其中，基于樹狀結構的裝配關系矩陣用于快速生成不同的構型，而模塊化運載單元的幾何中心位置用于計算構型矩陣，這兩種描述方式等價，其具體變換過程為：
15、將任一模塊化運載單元的幾何中心位置設為原點，其旋轉矩陣設為單位矩陣，根據裝配關系矩陣、位置矩陣和旋轉矩陣迭代推算得到其他模塊化運載單元的幾何中心位置；對各模塊化運載單元的幾何中心位置取平均，計算得到模塊化運載單元集群整體的幾何中心位置；通過將各模塊化運載單元的幾何中心位置與模塊化運載單元集群整體的幾何中心位置作差，將模塊化運載單元集群整體的幾何中心移至原點，得到移動后各模塊化運載單元的幾何中心位置；
16、以包圍目標物體為目的，設置以最小化icp誤差和相互碰撞為目標的最優隊形構型評價函數并進行求解。
17、進一步地，所述基于樹狀結構的裝配關系矩陣a(s)為：
18、
19、式中，a(s)表示一個n行n列的方陣，方陣a(s)中的元素aij,(i＝1,…n；j＝1,…n)表示第i個模塊化運載單元與第j個模塊化運載單元的連接面信息；
20、在基于樹狀結構的裝配關系矩陣a(s)中，如果aij＝aji＝0，則表示第i模塊化運載單元與第j模塊化運載單元沒有連接；如果aij≠0，aji≠0且mod(aij+aji,2)＝1，(i＝j,i≤n,aij∈{1,2，…24},aji∈{1,2，…24})，則表示第i模塊化運載單元的第aij個面與第j模塊化運載單元的第aji個面連接；
21、所述位置矩陣step為：
22、
23、式中，l表示模塊化運載單元的輪廓半徑；k＝0，1,2,…23表示下一個模塊化運載單元與當前模塊化運載單元的第k+1個面相接后在x方向的相對位置，k＝0，1,2,…23表示下一個模塊化運載單元與當前模塊化運載單元的第k+1個面相接后在y方向的相對位置；
24、所述旋轉矩陣rot為：
25、
26、式中，旋轉矩陣rot表示一個模塊化運載單元的第i個面與另一個模塊化運載單元的第j個面連接后，兩個模塊化運載單元的坐標系之間的旋轉矩陣，旋轉矩陣rot中的元素rji是個兩行兩列的方陣。
27、更進一步地，所述根據裝配關系矩陣、位置矩陣和旋轉矩陣迭代推算得到其他模塊化運載單元的幾何中心位置的過程為：
28、在裝配關系矩陣a(s)中，依次查找與當前序號為p的模塊化運載單元相連接的序號為q的模塊化運載單元的編號；
29、根據模塊化運載單元的中心位置rp、旋轉矩陣rotp，依據兩者之間連接面的信息apq與aqp，以及位置矩陣step和旋轉矩陣rot，推算得到相連的模塊化運載單元的中心位置rq和旋轉矩陣rotq：
30、rq＝rp+rotp×step(:,apq)；
31、rotq＝rot(2p-1:2p,2q-1:2q)×rotp；
32、將q作為下一個模塊化運載單元,繼續推算其他模塊化運載單元的位置；
33、重復以上步驟，直到所有模塊化運載單元的位置都確定完成。
34、更進一步地，所述移動后各模塊化運載單元的幾何中心位置r′i為：
35、r′i＝ri-ro；
36、其中，ri表示模塊化運載單元的幾何中心位置，ro表示模塊化運載單元集群整體的幾何中心位置。
37、更進一步地，所述最優隊形構型評價函數為：
38、
39、式中，cicp表示對齊誤差，ccol表示碰撞數；
40、所述最優隊形構型評價函數的求解過程為：
41、生成一個模塊化運載單元集群構型集合，其中每一個構型都為水平排布；
42、利用最優隊形構型評價函數評估整個模塊化運載單元集群構型集合的適應度；根據最優隊形構型評價函數的值，從整個模塊化運載單元集群構型集合中選擇預設的模塊化運載單元集群構型；使用選定的模塊化運載單元集群構型進行交叉操作，得到新的模塊化運載單元集群構型；循環預設次數后，從模塊化運載單元集群構型集合中選擇最優的構型作為最終的最優隊形構型。
43、更進一步地，所述使用選定的模塊化運載單元集群構型進行交叉操作，得到新的模塊化運載單元集群構型的過程為：
44、隨機選擇一個模塊化運載單元p作為斷點，并本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，用于將兩個以上自重構模塊化運載單元生成模塊化運載單元集群，其包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述自重構模塊化運載單元的構型矩陣為：
3.根據權利要求1所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述求解隊形構型問題的過程為：
4.根據權利要求3所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述基于樹狀結構的裝配關系矩陣A(S)為：
5.根據權利要求4所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述根據裝配關系矩陣、位置矩陣和旋轉矩陣迭代推算得到其他模塊化運載單元的幾何中心位置的過程為：
6.根據權利要求4所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述移動后各模塊化運載單元的幾何中心位置ri′為：
7.根據權利要求4所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述最優隊形構型評價函數為：
8.根據權利要求7所述的自重構模塊化運載單元的構型生
9.根據權利要求7所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述根據最優隊形構型求解朝向構型問題得到最優朝向構型的過程為：
10.根據權利要求1所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述模塊化運載單元采用模塊化單輪機器人，所述模塊化單輪機器人包括對接底座、轉向機構、行進機構和控制機構；
11.一種自重構模塊化運載單元的構型生成系統，其特征在于，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器處理所述計算機程序時實現如所述權利要求1～10任一項所述自重構模塊化運載單元的構型生成方法。
...【技術特征摘要】
1.一種自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，用于將兩個以上自重構模塊化運載單元生成模塊化運載單元集群，其包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述自重構模塊化運載單元的構型矩陣為：
3.根據權利要求1所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述求解隊形構型問題的過程為：
4.根據權利要求3所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述基于樹狀結構的裝配關系矩陣a(s)為：
5.根據權利要求4所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述根據裝配關系矩陣、位置矩陣和旋轉矩陣迭代推算得到其他模塊化運載單元的幾何中心位置的過程為：
6.根據權利要求4所述的自重構模塊化運載單元的構型生成方法，其特征在于，所述移動后各模塊化運載單元的幾何中心位置ri′為：
7.根據權利要求4...
【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇垚，王濛，李杭，李佳睿，劉航欣，
申請(專利權)人：北京通用人工智能研究院，
類型：發明
國別省市：
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