[發明專利]一種基于改進海鷗算法的多無人機氣體泄漏源定位方法

在審

• 申請號: 202111594830.8
• 申請日: 2021-12-24
• 公開（公告）號: CN114279636A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 蔡宇峰;丁濤;穆金霞
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01M3/02
• 分類號: G01M3/02;G06N3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明創造性地將改進海鷗算法與無人機群相結合，公開了一種基于改進海鷗算法的多無人機氣體泄漏源定位方法。相對于傳統的依賴固定監測站或地面移動機器人的溯源方法，本發明以無人機集群作為氣體泄漏的溯源平臺，具有成本低、搜索范圍廣、靈活性強和溯源效率高等優點?；诟倪M海鷗算法的氣體泄漏源定位方法，相比于標準海鷗算法，具有如下創新性：縮小了平衡算子B的取值范圍，大大減小了步長，使得全局搜索能力得到大幅提升；將螺旋半徑r設為固定值，保證個體在迭代過程中不會出現較為紊亂的移動方向，提高了算法的穩定性；覓食行為的引入，使得其它個體在跟隨最優個體的同時，會進行自己的探索，避免陷入局部最優。

技術領域

本發明涉及一種多無人機協同氣體泄漏源定位方法，屬于多旋翼無人機與大氣環境監測領域。

背景技術

作為我國經濟發展的重要支撐，工業發展對經濟的影響顯而易見，但隨之而來的環境污染問題也在不斷突出。當前，大氣環境污染時有發生，如工業生產過程中污染氣體排放產生的異常氣味，時常引起居民的不滿情緒和投訴，如何在最短的時間內找到污染源，為大氣環境污染處理提供最快的技術支持顯得十分重要。目前，氣體泄漏源定位方法多采用固定監測站或地面移動機器人，固定監測站受位置限制的缺點很明顯，在污染源泄漏時，很有可能因為固定監測站位置分布不均勻導致污染源定位不準確，從而錯過發現污染源的最佳時機，而地面移動機器人雖然可以在溯源過程中改變自己的位置，但很難適應氣體污染物在大氣介質中擴散速度快和范圍廣的特性，并且難以持續工作。當前，無人機在環境領域的應用正處于高速發展階段，無人機有著成本低、搜索范圍廣和靈活性強等優點，以無人機作為大氣污染源定位平臺，可以擴大溯源的范圍，提高溯源的效率。

針對當前日益嚴重的環境污染問題以及現有氣體泄漏源定位方法的局限性，本發明要解決的技術問題是“基于群智能算法的多無人機氣體泄漏源定位問題”。

目前，群智能優化算法主要有遺傳算法、粒子群算法和人工魚群算法等，而海鷗算法于2019年剛剛提出，并逐漸在營銷策略規劃、最優化測井解釋和圖像分割等方面開始應用。本專利首次將該海鷗算法用以解決氣體泄漏源定位的技術問題，但在應用過程中仍存在如下問題：在標準海鷗算法中，海鷗最重要的特征是遷徙和攻擊行為，遷徙行為中平衡算子B的設定使得算法很大程度上延長了當前個體與最優個體的間距，這樣個體在下一步的位置更新中能夠以較大的步長接近最優個體，整體收斂速度快一些，但是在迭代過程中容易錯過最優值；其次，攻擊行為中螺旋半徑r的隨機取值會使得個體的移動方向較為紊亂；最后，算法整體缺少個體的隨機探索過程，導致在迭代過程中其它個體會無條件跟隨當前最優個體，容易陷入局部最優。

發明內容

本發明的目的是為了彌補現有泄漏源定位技術的不足，創新性的將多無人機群與改進海鷗算法結合，提出了一種基于改進海鷗算法的多無人機氣體泄漏源定位方法，該方法具有全局搜索能力強、收斂性強和不易陷入局部最優等優點，可以快速、高效的定位泄漏源。針對標準海鷗算法存在的不足之處，本發明提出一種改進海鷗算法。首先，本發明縮小了平衡算子B的取值范圍，大大減小了步長，使得算法的全局搜索能力得到大幅提升。其次，本發明將螺旋半徑r設為固定值，保證個體在迭代過程中不會出現較為紊亂的移動方向。最后，本發明在原海鷗算法的基礎上加入覓食行為，增強了個體的探索能力，使得算法在迭代過程中不易陷入局部最優。

一種基于改進海鷗算法的多無人機氣體泄漏源定位方法，包括以下步驟：

步驟1：在氣體泄漏源下風向區域檢測到氣體污染物濃度值明顯超出日常監測范圍，初步判斷可能存在企業偷排行為，則啟動應急溯源程序；

步驟2：在待監測區域設置N架無人機，給定無人機的初始位置；

步驟3：采用改進海鷗算法搜索氣體泄漏源；

步驟4：更新各個無人機的位置；

步驟5：判斷氣體泄漏源是否定位成功，若成功，執行步驟6，否則返回步驟3；