[發明專利]時變流場環境中機器人搜尋氣味源方法

有效

• 申請號: 200810054299.3
• 申請日: 2008-08-26
• 公開（公告）號: CN101344513A
• 公開（公告）日: 2009-01-14
• 發明（設計）人: 孟慶浩;李吉功;李飛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 江鎮華

技術領域

本發明涉及一種機器人搜尋氣味源方法。特別是涉及一種完整的、可應用于實際的 時變流場環境下機器人快速發現氣味煙羽及沿氣味最大可能擴散軌跡搜索氣味源并最終 確認氣味源的時變流場環境中機器人搜尋氣味源方法。

背景技術

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 中不得不面對的危險來源。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。

一個新興的研究及應用方向就是如何將氣味跟蹤、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。 主動搜尋可以有效地彌補傳統方法(包括固定傳感器網絡法、專業人員或經過訓練的動 物到泄漏源現場查找等)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，相比固定傳感器網絡可以覆蓋的范圍更大且動作靈活；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。

Wei?Li等將氣味源的主動搜尋問題簡化并分解為4個子任務：煙羽發現(是指使用移 動機器人，以自主(非遙控)的方式來尋找組成氣味煙羽的分子團的過程)、煙羽跟蹤、 煙羽再發現和氣味源確認(Wei?Li，Jay?A.Farrell，Shuo?Pang，and?Richard?M.Arrieta. Moth-Inspired?Chemical?Plume?Tracing?on?an?Autonomous?Underwater?Vehicle.IEEE? Transactions?On?Robotics，vol.22，no.2，April?2006，pp.292-307)。

1、煙羽發現和再發現

不同點：煙羽發現用于氣味煙羽(是從氣味源釋放的分子團被流體(氣態的或液態 的)吹散以后像羽毛一樣在空氣(或液體)中飄揚形成的氣味軌跡；煙羽是由飄落在空 中(或水中)的很多離散氣味包組成)信息完全未知的情況，而煙羽再發現則用于存在 一定煙羽先驗信息的情況，如機器人曾在某處測得過一次氣味信息。

相同點：兩者均是在當前一段時間內機器人沒有檢測到氣味信息的情況下，為了找 到煙羽而進行的搜索。

總體來講，目前已有的研究成果可歸納為隨機式和工程式兩類。

隨機式的方法是一類不考慮已有的或可獲得的一些信息(如流速/流向、最近測到煙 羽時的地點等)而以完全隨機或半隨機的方式行走并期望找到煙羽的方法。外螺旋方法 是典型的隨機方法(A.T.Hayes，A.Martinoli，and?R.M.Goodman.Distributed?odor? source?localization.IEEE?Sensors?Journal，vol.2，no.3，June?2002，pp.260-271) (Thomas?Lochmatter，Xavier?Raemy，?Matthey，Saurabh?Indra?and?Alcherio? Martinoli.A?Comparison?of?Casting?and?Spiraling?Algorithms?for?Odor?Source? Localization?in?Laminar?Flow.2008IEEE?International?Conference?on?Robotics?and? Automation，Pasadena，CA，USA，May?19-23，2008，pp.1138-1143)。該方法以當前 機器人位置及某朝向角度為起始參數，并以某螺旋半徑順時針或逆時針方向向外產生螺 旋線(如阿基米德螺旋線)作為規劃路徑，使機器人沿著該路徑進行煙羽的探測。該方 法常用于煙羽發現。

相比之下，工程方式的方法則在一定程度上采用了已知信息(如流速/流向、最近測 到煙羽時的地點等)，并使機器人以某種方式行走并探測煙羽，典型方法有：