一種機器人主動搜尋定位氣味源的方法與流程
2023-05-19 13:06:21 1
本發明涉及機器人領域，具體是一種機器人主動搜尋定位氣味源的方法。
背景技術：
隨著工業的發展，石化產業已經成為了國民經濟發展的重要支柱，同時，石化工廠的災難事故以及有毒有害氣體的洩露事件也呈現逐年上升的趨勢，給國家和人民的財產造成了難以估量的損失。因此，對石化工廠以及危險化學物倉儲環境的氣體檢測和氣體洩露源搜尋和定位的研究十分重要。能否成功的研究出一種利用自主全向移動的機器人主動搜尋氣味源的方法，保障國家和人民的財產安全和身體健康，為我國石化產業保駕護航具有重要的意義。
傳統的氣味源定位的方法主要有人工巡檢和固定的傳感網絡法，然而，上述兩種方法都有明顯的不足和缺點，隨著科學技術的發展，國內外許多學者開始利用移動機器人搭載氣體傳感器進行洩露源的搜尋和定位，即利用主動嗅覺來實現氣味源的定位。hayes將氣味源的搜尋分為三個階段：煙羽發現、煙羽跟蹤和氣味源定位。所謂煙羽，是指從氣味源釋放氣味分子被風吹散，在空氣中形成像羽毛一樣飄揚的狀態。二十世紀九十年代以來，學者們提出了很多相關的策略，主要依據化學趨向性和風趨向性，如zigzag遍歷算法、spiral遍歷算法、surge類算法、spiral-surge類算法等，這些方法都有明顯的局限性，搜索效率低，搜尋速度慢，容易受到局部濃度最大值的幹擾。因此，上述算法難以應用到複雜的實際環境當中。russell等人在文獻中提出的蠶蛾算法，通過模擬雄蛾跟蹤雌蛾信息素的行為，主要包括surge運動、搖擺的casting運動和不規則的圓周運動。該算法搜索效率低，在具體的實際環境中沒有考慮障礙物的影響，對氣體信息的檢測不夠全面，沒有提出具體的氣味源確定的方法。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種機器人主動搜尋定位氣味源的方法。本方法考慮了風向和風速的影響因素，當風速小於設定的閾值，機器人採取不同的搜尋方式進行煙羽發現。在煙羽追蹤階段中，機器人進行變步長變角度的搖擺運動，並結合機器人本體的360°全向旋轉運動；相比無規則的圓周運動，機器人採取向前的螺旋線運動和360°全向旋轉相結合的運動方式，在複雜的湍流環境中，更有效的追蹤氣味信息，增加了運動的靈活性，提高檢測氣體的成功率。
本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種機器人主動搜尋定位氣味源的方法，其特徵在於包括以下步驟：
步驟一，設計該方法中所使用的搜尋定位氣味源的全向移動機器人：
所述機器人採用具有全向移動功能的輪式結構；所述機器人的前部安裝有五個氣體傳感器，五個氣體傳感器呈半圓狀分布，相鄰兩個氣體傳感器之間的夾角為45°，其中一個氣體傳感器位於機器人正前方，用於檢測氣體的濃度，檢測到的濃度在煙羽跟蹤階段決定機器人下一步的轉向；所述機器人的頂部安裝有風向傳感器和風速傳感器，用於檢測環境中的風速和風向；所述機器人的側面安裝有三個雷射測距傳感器，呈半圓狀分布，其中一個雷射測距傳感器位於機器人正前方，相鄰兩個雷射測距傳感器之間的夾角為90°，用於檢測障礙物和最終氣味源的確認；
步驟二，機器人搜尋定位氣味源，包括以下三個階段：
(i)煙羽發現階段：機器人搜尋任務開始，首先利用風速傳感器檢測風速，當測量風速≤設定的風速閾值時，機器人採取z字形遍歷搜索法進行全面搜索，前進的同時結合機器人本體360°全向旋轉，遇邊界改變行駛方向；當測量風速＞設定的風速閾值時，風向傳感器工作，機器人轉向為與風向呈90-180°之間的任意夾角，同時機器人本體進行360°旋轉，並開始沿著上風向向前行駛；向前行駛後未檢測到氣體，遇到障礙後改變方向，朝著當前行駛方向的另一側，與風向呈90-180°之間的任意夾角繼續沿上風向行駛，同時機器人本體進行360°旋轉，直到檢測到氣體信息，煙羽發現階段結束；
(ii)煙羽追蹤階段：
機器人檢測到煙羽後，調轉機器人的方向，使機器人逆風前進直到檢測到氣味源，搜尋任務結束；
如果逆風前進一段時間後，氣體信息丟失，機器人根據五個氣體傳感器先前測得的氣體濃度數據，設定初始步長值d0，機器人轉向測得的平均濃度高的一側，與當前前進方向的轉角為22.5°，沿該方向前進d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉45°，沿該方向前進2d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉67.5°，沿該方向前進3d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉90°，沿該方向前進4d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉112.5°，沿該方向前進5d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉135°，沿該方向前進6d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
機器人在上述變步長變角度的擺動運動之後，如果還未檢測到氣體，機器人開始沿順時針方向做向前的螺旋線運動，同時機器人本體做360°的全向旋轉運動，順時針移動兩圈後，如果檢測到氣體信息，機器人繼續逆風前進，如果未檢測到氣體信息，繼續做同樣的動作，直到檢測到氣體；
(iii)氣味源定位階段：氣味源的定位需滿足兩個條件：氣味源的濃度大於設定的閾值；氣味源本身也是障礙物；
當氣體傳感器測得的氣體濃度大於預先設定的濃度閾值，利用雷射測距傳感器器進行障礙物檢測；障礙物檢測的方法是：機器人在障礙物附近進行圓周運動，同時機器人本體做360°的旋轉運動，全面檢測周圍氣體濃度是否發生大範圍變化，當滿足上述兩個條件時，氣味源定位完成，搜尋任務結束。
與現有技術相比，本發明有益效果在於：
1.本方法採用的全向移動機器人利用麥克納姆輪，機器人可以採取全向移動和本體360°全向旋轉相結合的運動方式。機器人移動更加靈活，活動範圍更廣，可以實現全方位的搜尋功能，可適用於更加複雜的實際環境。
2.本方法採用的全向移動機器人前端搭載五個氣體傳感器，呈半圓狀分布，相鄰兩個氣體傳感器之間的夾角為45°，其中一個氣體傳感器位於機器人正前方；機器人側面搭載三個雷射測距傳感器，呈半圓狀分布，其中一個雷射測距傳感器位於機器人正前方，相鄰兩個雷射測距傳感器之間的夾角為90°；風向傳感器和風速傳感器位於機器人頂部。採用多種傳感器融合的布置方式可以更廣泛的檢測到周圍的氣體濃度信息、風向信息和障礙物信息，有利於獲得全面的檢測數據，提高了機器人搜尋氣味源的效率。
3.相比傳統的氣味源搜尋方法，本方法更加具有實用性和魯棒性。當風速小於設定的閾值，機器人採取不同的搜尋方式進行煙羽發現。在煙羽追蹤階段中，機器人進行變步長變角度的搖擺運動，並結合機器人本體的全向旋轉運動，如果還未檢測到氣體，機器人沿順時針方向做向前的螺旋線運動，同時機器人本體做360°的全向旋轉運動。相比無規則的圓周運動，機器人採取向前的螺旋線運動和本體360°全向旋轉相結合的運動方式，在複雜的湍流環境中，更有效的追蹤氣味信息，增加了運動的靈活性，提高檢測氣體的成功率。
附圖說明
圖1為本發明機器人主動搜尋定位氣味源的方法一種實施例的全向移動機器人整體結構示意圖；(圖中：1、風向傳感器；2、風速傳感器；3、氣體傳感器；4、雷射測距傳感器；5、麥克納姆輪)
圖2為本發明機器人主動搜尋定位氣味源的方法一種實施例的全向移動機器人整體結構俯視示意圖；(圖中：1、風向傳感器；2、風速傳感器；3、氣體傳感器；4、雷射測距傳感器；5、麥克納姆輪)
圖3為本發明機器人主動搜尋定位氣味源的方法一種實施例的全向移動機器人搜尋氣味源過程的行走路線圖；(圖中：a區域表示機器人逆風行走的過程；b區域表示機器人煙羽追蹤過程中的變步長變角度的搖擺運動；c區域表示機器人向前的螺旋線運動和本體360°全向旋轉相結合運動，圓圈表示機器人本體的全向旋轉；黑色箭頭表示風向)
具體實施方式
下面給出本發明的具體實施例。具體實施例僅用於進一步詳細說明本發明，不限制本申請權利要求的保護範圍。
本發明提供了一種機器人主動搜尋定位氣味源的方法(參見圖1-3，簡稱方法)，其特徵在於包括以下步驟：
步驟一，設計該方法中所使用的搜尋定位氣味源的全向移動機器人(簡稱機器人)：
所述機器人採用輪式結構，選用具有全向移動功能的麥克納姆輪5；所述機器人的前部安裝有五個氣體傳感器3，五個氣體傳感器3呈半圓狀分布，相鄰兩個氣體傳感器3之間的夾角為45°，其中一個氣體傳感器3位於機器人正前方，用於檢測氣體的濃度，檢測到的濃度在煙羽跟蹤階段決定機器人下一步的轉向；所述機器人的頂部安裝有風向傳感器1和風速傳感器2，用於檢測環境中的風速和風向；所述機器人的側面安裝有三個雷射測距傳感器4，呈半圓狀分布，其中一個雷射測距傳感器4位於機器人正前方，相鄰兩個雷射測距傳感器4之間的夾角為90°，用於檢測障礙物和最終氣味源的確認；
步驟二，機器人搜尋定位氣味源，包括以下三個階段：
(i)煙羽發現階段：機器人搜尋任務開始，首先利用風速傳感器2檢測風速，當測量風速≤設定的風速閾值時，機器人採取z字形遍歷搜索法進行全面搜索，前進的同時結合機器人本體360°全向旋轉，遇邊界改變行駛方向；當測量風速＞設定的風速閾值時，風向傳感器1工作，機器人轉向為與風向呈90-180°之間的任意夾角，同時機器人本體進行360°旋轉，並開始沿著上風向向前行駛；向前行駛後未檢測到氣體，遇到障礙後改變方向，朝著當前行駛方向的另一側，與風向呈90-180°之間的任意夾角繼續沿上風向反向行駛，同時機器人本體進行360°旋轉，直到檢測到氣體信息，煙羽發現階段結束；
(ii)煙羽追蹤階段：
機器人檢測到煙羽後，調轉機器人的方向，使機器人逆風前進直到檢測到氣味源，搜尋任務結束；
如果逆風前進一段時間後，氣體信息丟失，機器人根據五個氣體傳感器3先前測得的氣體濃度數據，機器人轉向測得的平均濃度高的一側，與當前前進方向的轉角為22.5°，設定初始步長為d0，沿該方向前進d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉45°，沿該方向前進2d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉67.5°，沿該方向前進3d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉90°，沿該方向前進4d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉112.5°，沿該方向前進5d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
如果未檢測到氣體信息，機器人停止前進，機器人向當前行駛方向的另一側旋轉135°，沿該方向前進6d0，如果氣體信息丟失，機器人本體旋轉360°對周圍的氣體信息進行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續逆風前進；
機器人在上述變步長變角度的擺動運動之後，如果還未檢測到氣體，機器人開始沿順時針方向做向前的螺旋線運動，同時機器人本體做360°的全向旋轉運動，順時針移動兩圈後，如果檢測到氣體信息，機器人繼續逆風前進，如果未檢測到氣體信息，繼續做同樣的動作，直到檢測到氣體；
(iii)氣味源定位階段：氣味源的定位需滿足兩個條件：氣味源的濃度大於設定的閾值；氣味源本身也是障礙物；
當氣體傳感器3測得的氣體濃度大於預先設定的濃度閾值，利用雷射測距傳感器器4進行障礙物檢測；障礙物檢測的方法是：機器人在障礙物附近進行圓周運動，同時機器人本體做360°的旋轉運動，全面檢測周圍氣體濃度是否發生大範圍變化，當滿足上述兩個條件時，氣味源定位完成，搜尋任務結束。
本發明未述及之處適用於現有技術。