[發(fā)明專利]一種多機(jī)器人系統(tǒng)合作定位危險(xiǎn)氣味源方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010609631.5
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102034030A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂強(qiáng);謝小高;羅平
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多機(jī)器人系統(tǒng)合作定位危險(xiǎn)氣味源方法。

背景技術(shù)

危險(xiǎn)氣味源定位對人類安全有著非常重要的意義，如定位污染物的源頭和化學(xué)工廠中有毒氣體泄漏的源頭等等。因此，如何快速有效地定位危險(xiǎn)氣味源是一個(gè)極其重要的問題。然而，危險(xiǎn)氣味源定位問題在不同的環(huán)境下，呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。通常，在沒有氣流的條件下，氣味分子的擴(kuò)散是一個(gè)主要力量，它能夠驅(qū)動(dòng)氣味分子遠(yuǎn)離氣味源。最大的濃度將會(huì)在氣味源的附近出現(xiàn)。因此，我們可以使用梯度的方法來定位氣味源。然而，在真實(shí)的世界里，氣流是一種影響氣味擴(kuò)散的主要力量，它通過影響氣味分子的運(yùn)動(dòng)，而形成羽煙。在由高Reynolds數(shù)刻畫的環(huán)境里，羽煙將會(huì)呈現(xiàn)出高度的不連續(xù)性和間歇性，這使得梯度方法變得不可行。此外，由于多機(jī)器人系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和魯棒性，使得多機(jī)器人系統(tǒng)代替單機(jī)器人系統(tǒng)成為危險(xiǎn)氣味源定位的主要工具。目前，協(xié)調(diào)多機(jī)器人系統(tǒng)定位危險(xiǎn)氣味源的主要方法是群智能技術(shù)，但是，這種技術(shù)的定位成功率較低，也會(huì)使多機(jī)器人系統(tǒng)消耗過多的能量，一個(gè)主要的原因是，該方法主要是利用了濃度幅值信息，而濃度幅值信息的不穩(wěn)定性，往往會(huì)使多機(jī)器人系統(tǒng)局部收斂。另外，在我國對于多機(jī)器人系統(tǒng)的合作定位方法的研究剛剛開始起步，仍然沒有提出行之有效的方法。在這一背景下，本發(fā)明彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目標(biāo)是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出多機(jī)器人系統(tǒng)合作定位危險(xiǎn)氣味源方法，具體是以最大熵粒子濾波理論為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)多機(jī)器人合作定位危險(xiǎn)氣味源方法。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)合作搜索方式的不足，保證多機(jī)器人系統(tǒng)具有較高的定位精度和穩(wěn)定性的同時(shí)，也保證形式簡單并減少定位過程中多機(jī)器人系統(tǒng)消耗的能量。

對于每一個(gè)機(jī)器人，本發(fā)明方法首先建立氣味源的觀測模型；然后，以預(yù)先估計(jì)的正態(tài)分布為背景分布，利用最大熵原理和其他機(jī)器人對氣味源位置的估計(jì)值，獲得氣味源位置的先驗(yàn)概率分布；其次，如果檢測到氣味，利用觀測模型獲得實(shí)際測量值，修正氣味源位置的先驗(yàn)概率分布，從而得到氣味源位置的后驗(yàn)概率分布，并對氣味源位置的后驗(yàn)概率分布采樣，獲得該氣味源位置的估計(jì)值，進(jìn)一步產(chǎn)生機(jī)器人的新位置；如果沒有檢測到氣味，直接采樣氣味源位置的先驗(yàn)概率分布，獲得該氣味源位置的估計(jì)值，進(jìn)一步產(chǎn)生機(jī)器人的新位置；最后，用一致性算法控制機(jī)器人向新位置移動(dòng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是通過數(shù)據(jù)檢測、在線優(yōu)化、氣味源位置概率分布評估等手段，確立了一種多機(jī)器人系統(tǒng)合作定位危險(xiǎn)氣味源的方法，利用該方法可有效提高氣味源定位的精度。

本發(fā)明方法在第????????????????????????????????????????????????()個(gè)機(jī)器人上運(yùn)行的步驟包括：

(1)利用氣味分子的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立氣味源位置的觀測模型，具體方法是：

a.建立單個(gè)氣味分子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)模型:

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其中,?指氣味分子團(tuán)在時(shí)刻的位置；指氣味分子團(tuán)在時(shí)刻位置的微分；是在時(shí)刻的均值風(fēng)速度；表示一個(gè)隨機(jī)過程，該過程服從均值為零，方差為的高斯分布。

對氣味分子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)模型在時(shí)間段[,]（）內(nèi)進(jìn)行積分，獲得氣味分子團(tuán)在時(shí)刻被氣味源釋放，在當(dāng)前時(shí)刻時(shí)的位置，如：

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其中，[,]指積分的時(shí)間段，指氣味源釋放氣味分子團(tuán)的時(shí)間，指當(dāng)前時(shí)間；?指的是在當(dāng)前時(shí)間氣味分子團(tuán)的位置；是在時(shí)刻氣味源的位置。

b.通過定義和，將該模型離散化。其中，離散時(shí)刻是氣味源釋放氣味分子團(tuán)時(shí)間的整數(shù)值；離散時(shí)刻是當(dāng)前時(shí)間的整數(shù)值；是指時(shí)間的微小變化。因此，氣味分子團(tuán)的離散模型為：

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其中，氣味源位置在一定時(shí)間內(nèi)是靜止的，所以有；表示氣味源在時(shí)刻釋放氣味分子團(tuán)，在時(shí)刻的位置；表示在時(shí)間段[,]內(nèi)風(fēng)推動(dòng)氣味分子團(tuán)的移動(dòng)距離；表示隨機(jī)過程，服從均值為零，方差的正態(tài)分布。

????考慮到氣味分子團(tuán)釋放時(shí)間的所有可能性，即

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則氣味分子團(tuán)的離散運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)一步表示如下：

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其中，為時(shí)刻氣味分子團(tuán)的位置；為時(shí)刻氣味源的位置；為時(shí)刻風(fēng)推動(dòng)氣味分子團(tuán)移動(dòng)的距離；是測量噪聲，并且服從零均值，方差的正態(tài)分布。

????c.通過定義，可以得到氣味源位置的觀測模型：

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