[發(fā)明專利]一種基于分布式優(yōu)化的無人機群協(xié)同定位氣體泄漏源方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010013204.4
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111190438B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳飛;申志飛;項林英;黃伯敏
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)秦皇島分校
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

1.一種基于分布式優(yōu)化的無人機群協(xié)同定位氣體泄漏源方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：構(gòu)造無人機群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖中每個節(jié)點代表一個無人機，使多無人機在給定被檢測區(qū)域形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布；

所述構(gòu)造的無人機群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖為包括n個節(jié)點的無向連通網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，其中每個節(jié)點代表一個無人機，多無人機形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布；

給定一個被檢測區(qū)域M，n臺無人機的位置為被檢測區(qū)域M中具有Voronoi分布的多無人機處于各自的Voronoi分區(qū)內(nèi)，p_i位置的無人機的Voronoi分區(qū)V_i如下公式所示：

其中，q為Voronoi區(qū)域內(nèi)任意一點，p_j表示無人機p_i的鄰居無人機的位置，

各Voronoi分區(qū)的無人機通過找尋各自分區(qū)的質(zhì)心形成質(zhì)心Voronoi分布；對于任一Voronoi區(qū)域，其質(zhì)心如下公式所示：

其中，為V_i區(qū)域的質(zhì)心，φ(q)為Voronoi區(qū)域的密度函數(shù)；

控制多無人機使其形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布，即φ(q)為常數(shù)，則Voronoi分區(qū)的質(zhì)心如下公式所示：

其中，為具有N_i個頂點的Voronoi分區(qū)各個頂點的坐標且為無人機群所組成的質(zhì)點系的質(zhì)量，由下式求得：

將上述求得無人機群UDCVT分布的方法稱為UDCVT覆蓋控制算法；

步驟2：測量無人機群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖中各節(jié)點所在位置的氣體濃度、風(fēng)向和風(fēng)速；

步驟3：無人機群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖中每個節(jié)點結(jié)合其鄰居節(jié)點信息，通過流體模擬得到各節(jié)點定位的氣體泄露源位置點；

設(shè)定泄露源在被檢測平面M內(nèi)，通過比較流體模擬得到的氣體濃度預(yù)測值和測量值，從而實現(xiàn)各節(jié)點對氣體泄漏源的定位，如下公式所示：

其中，為節(jié)點i得到的氣體泄露源的位置，N_i為節(jié)點i的鄰居節(jié)點，g_i為節(jié)點i氣體濃度的測量值，為節(jié)點i通過流體模擬得到的氣體濃度預(yù)測值，為g_i和的差函數(shù)；

通過流體模擬得到的氣體濃度預(yù)測值如下公式所示：

其中，l為流體模擬中變化的氣體泄露源位置，ω_i∈R²為一個二維向量，其大小表示節(jié)點i的風(fēng)速，其方向表示節(jié)點i風(fēng)向，θ為氣體的隱含參數(shù)，其為不變的常數(shù)；使用Navier-Stokes方程來求解氣體的流體模擬，從而得到氣體濃度的預(yù)測值，具體方法為：

把被檢測平面M網(wǎng)格化為a×b個網(wǎng)格，用網(wǎng)格中心的速度和密度代表整個網(wǎng)格的速度和密度，迭代更新每個網(wǎng)格的速度和密度，得到每個網(wǎng)格的密度更新方程和速度更新方程如下公式所示：

其中，u為每個網(wǎng)格的速度，ρ為每個網(wǎng)格的密度，ν為運動粘度，f為氣體泄露源對速度的影響，S為氣體泄露源對密度的影響；

所述密度更新方程為線性方程，速度更新方程為非線性方程，因此采用半拉格朗日法求解速度更新方程；

使用OGS方法，通過平移定律，將氣體泄漏源位置l的變化轉(zhuǎn)化為無人機的位置p_i的變化，同時把流體模擬擴充成四倍的歐拉網(wǎng)格，并把氣體泄露源放在四倍的歐拉網(wǎng)格的中心，把ab次流體模擬轉(zhuǎn)換成了一次四倍歐拉網(wǎng)格區(qū)域的流體模擬，如下公式所示：

其中，為四倍歐拉網(wǎng)格區(qū)域的中心點，為第i個節(jié)點氣體泄漏源位置的估計，Δl_h表示h式子對應(yīng)的Δl的取值；

步驟4：調(diào)用分布式優(yōu)化算法，各節(jié)點結(jié)合其鄰居節(jié)點信息，判斷每個節(jié)點對氣體泄露源位置的定位是否收斂于某個確定的常數(shù)，若是則執(zhí)行步驟5，否則更新各節(jié)點對氣體泄露源的估計，直到各節(jié)點對氣體泄露源位置的定位收斂于某個確定的常數(shù)，得到氣體泄漏源位置的最優(yōu)估計點，然后執(zhí)行步驟5；

步驟5：判斷各無人機之間的距離是否小于給定的閾值，若是，則執(zhí)行步驟7；否則，執(zhí)行步驟6；

步驟6：控制各節(jié)點無人機向氣體泄漏源最優(yōu)估計點飛去，并重新執(zhí)行步驟1-步驟5，重新進行氣體泄露源的估計；

步驟7：得到各節(jié)點對氣體泄露源的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式氣體泄漏源的定位。