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

有效

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

本發(fā)明提供一種基于分布式優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群協(xié)同定位氣體泄漏源方法，涉及控制和信息技術(shù)領(lǐng)域。首先構(gòu)造無(wú)人機(jī)群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，使多無(wú)人機(jī)在給定被檢測(cè)區(qū)域形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布；測(cè)量拓?fù)鋱D中各節(jié)點(diǎn)所在位置的氣體濃度、風(fēng)向和風(fēng)速；通過(guò)流體模擬得到各節(jié)點(diǎn)定位的氣體泄露源位置點(diǎn)；調(diào)用分布式優(yōu)化算法得到氣體泄漏源位置的最優(yōu)估計(jì)點(diǎn)；判斷各無(wú)人機(jī)之間的距離是否小于給定的閾值，若是，得到各節(jié)點(diǎn)對(duì)氣體泄露源的最優(yōu)估計(jì)值，實(shí)現(xiàn)分布式氣體泄漏源的定位；否則控制各節(jié)點(diǎn)無(wú)人機(jī)向氣體泄漏源最優(yōu)估計(jì)點(diǎn)飛去，重新進(jìn)行氣體泄露源的估計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及控制和信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于分布式優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群協(xié)同定位氣體泄漏源方法。

背景技術(shù)

無(wú)人機(jī)群是由多個(gè)相互耦合的無(wú)人機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每臺(tái)無(wú)人機(jī)具有一定的自主性和協(xié)調(diào)性，能通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境，并與其它無(wú)人機(jī)進(jìn)行通訊。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)群的分布式協(xié)同控制已經(jīng)成為了控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。分布式控制相對(duì)集中式控制而言，具有代價(jià)小、可靠性高、靈活性高、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

近幾年，歐美許多國(guó)家正在對(duì)應(yīng)急服務(wù)部門(mén)進(jìn)行訓(xùn)練，嘗試用消費(fèi)無(wú)人機(jī)執(zhí)行救援任務(wù)，并提供應(yīng)急服務(wù)。對(duì)某些實(shí)際應(yīng)用而言，如果僅利用載有攝像頭的無(wú)人機(jī)執(zhí)行搜救任務(wù)，那么在搜救過(guò)程中遇到黑夜或者濃煙等的情況下，會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的搜救能力受限，因此考慮使用氣體濃度作為信號(hào)，用氣體傳感器進(jìn)行氣體濃度信息的采集，結(jié)合無(wú)人機(jī)的狀態(tài)得到風(fēng)速和風(fēng)向，利用流體模擬和分布式優(yōu)化算法確定氣體泄漏源的位置。這個(gè)問(wèn)題具有實(shí)際的應(yīng)用背景，例如在油氣泄漏的地方，可以讓無(wú)人機(jī)根據(jù)泄漏區(qū)域的氣體濃度信息迅速定位出泄漏地點(diǎn)，從而及時(shí)補(bǔ)救以避免不必要的人員和財(cái)產(chǎn)損失。現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)定位氣體泄漏源技術(shù)大多采用的是單無(wú)人機(jī)通過(guò)羽流跟蹤的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體泄漏源的定位。然而，單機(jī)器人由于監(jiān)測(cè)范圍有限，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)會(huì)受到諸多限制。相比單個(gè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，多機(jī)器人系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)中擁有更優(yōu)良的性能，在執(zhí)行效率、續(xù)航能力和整體魯棒性方面都有很大的提高。于是，需要多無(wú)人機(jī)協(xié)同定位氣體泄漏源，從而快速有效地實(shí)現(xiàn)氣體泄露源的定位。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于分布式優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群協(xié)同定位氣體泄漏源方法，通過(guò)無(wú)人機(jī)群協(xié)同定位氣體泄漏源的位置。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種基于分布式優(yōu)化的無(wú)人機(jī)群協(xié)同定位氣體泄漏源方法，包括以下步驟：

步驟1：構(gòu)造無(wú)人機(jī)群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)無(wú)人機(jī)，使多無(wú)人機(jī)在給定被檢測(cè)區(qū)域形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布(UniformDensity?Centroidal?Voronoi?Tessellation，簡(jiǎn)稱UDCVT分布)；

所述構(gòu)造的無(wú)人機(jī)群的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D為包括n個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)向連通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)無(wú)人機(jī)，多無(wú)人機(jī)形成具有均勻密度的質(zhì)心Voronoi分布；

給定一個(gè)被檢測(cè)區(qū)域M，n臺(tái)無(wú)人機(jī)的位置為被檢測(cè)區(qū)域M中具有Voronoi分布的多無(wú)人機(jī)處于各自的Voronoi分區(qū)內(nèi)，pi位置的無(wú)人機(jī)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(diǎn)，p_j表示無(wú)人機(jī)p_i的鄰居無(wú)人機(jī)的位置，

各Voronoi分區(qū)的無(wú)人機(jī)通過(guò)找尋各自分區(qū)的質(zhì)心形成質(zhì)心Voronoi分布；對(duì)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(wú)人機(jī)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：