[發明專利]室內環境下機器人自主搜尋氣味源的方法

有效

• 申請號: 200710060125.3
• 申請日: 2007-12-24
• 公開（公告）號: CN101210817A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 張明路;孟慶浩;張小俊;郝為民;苑光明
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/34
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司
• 代理人: 趙敬

技術領域

本發明涉及自動檢測及機器人技術領域，特別是一種室內環境下機器人自主搜尋氣味源的方法。它提出了一套完整的、可應用于實際的室內有障礙物環境下的機器人自主搜尋氣味源的策略。利用全自主移動機器人、自主車輛等設備用于有害氣體泄露檢測、大型工廠倉庫保安、火源探測等方面。

背景技術

自主搜尋氣味源是指使用移動機器人，以自主(非遙控)的方式來發現、跟蹤氣味線索并最終確定氣味源位置的過程。隨著工業化的發展，有毒有害氣體(包括易燃易爆氣體)已成為人們在生產和生活中不得面對的危險來源。石油和化工行業、環保應急事故、恐怖襲擊、危險品儲運、垃圾填埋等均是有毒有害氣體發生和泄漏較為普遍的場所。因此，一種針對有毒有害氣體泄漏源搜尋和定位的技術研究及應用就顯得非常必要。一方面，它可為此類突發事件的預警和應急處理提供技術支持；另一方面，對于保障人民生命財產安全，促進經濟社會的和諧發展具有重大現實意義。

如何將氣味跟蹤、定位與移動機器人技術相結合，通過使用移動機器人來發現、跟蹤并確定氣味的源頭，即所謂氣味源的主動搜尋問題已成為一個新興的研究及應用方向。主動搜尋可以有效地彌補傳統方法(固定傳感器網絡法、專業人員或經過訓練的動物到泄漏源現場查找)存在的缺點。一方面，由于移動機器人的運動性，它相當于組成一個移動傳感器網絡，相比固定傳感器可以覆蓋的范圍加大且運動靈活；另一方面，機器人可被快速開發、維護費用低、且可長時間工作，也不存在危險、注意力時間有限、易疲勞等問題。

Hayes將氣味源的主動搜尋問題簡化并分解為3個子任務：煙羽發現、煙羽橫越和氣味源確認(期刊：IEEE?Sensors?Journal?2卷3期；著者：Hayes?A?T，Martinoli?A，GoodmanR?M；出版年月：2002年；文章題目：Distributed?odor?source?localization，頁碼：260-271)。目前已有的研究成果主要以仿生學為基礎，即模擬一些生物的化學趨向性和風趨向性以及其他一些啟發式搜索方法，其中代表性的煙羽的發現及跟蹤方法/策略有如下幾種(期刊：機器人28卷1期；著者：孟慶浩，李飛；出版年月：2006年1月；文章題目：主動嗅覺研究現狀，89-96)：

以氣味煙羽濃度為導向的濃度梯度法；以氣味的逆流方向為導向的逆風搜索法；Z字形接近法和外螺旋搜索法；關于氣味源的確認問題目前沒有查到可靠的實現方法。

綜上所述，以上諸多氣味源搜索及確認算法雖有其獨到的一面，但目前多只是針對氣味源搜尋過程中的部分子問題開展相關的科學研究，并沒有提出一套涉及氣味源搜尋的完整解決方案。同時由于科學研究對研究對象及其環境進行了簡化，因此將這類算法直接應用于較為復雜的實際環境，很難獲得滿意的結果。

應當指出，現有方法/策略存在的問題：多數只采用單一的風速/風向或氣味傳感器；多數僅適用于簡化的仿真環境；沒考慮實際環境下的避障問題。

發明內容

本發明的目的在于提出一種室內環境下機器人自主搜尋氣味源的方法，可以克服現有技術的不足，它是完整的基于移動機器人的氣味源搜尋方法，可應用于實際的室內有障礙物環境下的機器人自主搜尋氣味源的策略。利用全自主移動機器人、自主車輛等設備用于有害氣體泄露檢測、大型工廠倉庫保安、火源探測等方面。

本發明采用多傳感器信息融合的搜索策略；整合多種較優的搜索算法，針對多變的實際室內應用環境，自適應地選擇較優的搜索策略；在搜索的過程中可實時避障。

本發明的技術方案描述如下：

1.基于渦旋線的搜索策略

在未檢測到明顯的風速/風向及氣味煙羽信息的情況下，為加大搜索范圍、提高搜索效率，采用渦旋線形式的搜索策略，以期能夠盡快發現較顯著的氣味源信息。在實際應用中，考慮到機器人的運動學約束和控制難度，機器人沿渦旋線上節點之間的弦線進行搜尋(如圖1所示)。在具體搜索時，在[0，n·360°)(n＝1，2，3，…)的旋向區間里，每隔45度選一節點。當機器人距離當前節點足夠近時，給出下一個節點。

2.有障礙物環境下的柔性追蹤

在檢測到明顯的風速/風向和/或氣味煙羽信息的情況下，若未檢測到障礙物，機器人下一時刻的追蹤目標是根據機器人所感知的信息(包括風速/風向、氣味濃度以及電子羅盤等)進行推理得到的。