基于虛擬力的多機(jī)器人化學(xué)源定位研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著越來(lái)越多的有害化學(xué)品意外泄露和逐漸增長(zhǎng)的生化恐怖襲擊，一些學(xué)者開(kāi)始研究利用配有化學(xué)氣體/氣味傳感器的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有害化學(xué)源的快速定位及有效控制，以減少其對(duì)人類造成的傷亡。使用移動(dòng)機(jī)器人對(duì)化學(xué)源進(jìn)行定位在很多方面都有著潛在的應(yīng)用前景：如有毒/有害氣體、液體泄露的排查檢測(cè)、反恐襲擊、火災(zāi)建筑物搜索以及防爆排雷等。
　　目前，對(duì)于化學(xué)源定位問(wèn)題的研究主要集中在使用單個(gè)或多個(gè)獨(dú)立機(jī)器人對(duì)單一化學(xué)源進(jìn)行尋找、檢測(cè)和跟蹤。而

2、對(duì)于更為復(fù)雜的情況：多化學(xué)源的高效、快速定位問(wèn)題給予的關(guān)注很少。然而，這類問(wèn)題在實(shí)際生活中更加常見(jiàn)，它要求我們?cè)谶@些化學(xué)源對(duì)周圍環(huán)境或人造成巨大損失前，必須快速檢測(cè)并定位到所有的化學(xué)源。解決多化學(xué)源定位問(wèn)題將面臨更多新的挑戰(zhàn)，如不同化學(xué)源的多樣性、“串?dāng)_”性，對(duì)所有化學(xué)源要求及時(shí)定位的需要等。
　　本文從建立化學(xué)源定位仿真環(huán)境開(kāi)始，針對(duì)于單個(gè)及多個(gè)化學(xué)源定位問(wèn)題，研究了基于虛擬力和種群的自主多機(jī)器人化學(xué)源定位方法，并進(jìn)行了大量仿真

3、實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　首先，鑒于現(xiàn)有煙羽模型很難描述室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下的煙羽模型及室外通風(fēng)環(huán)境下多個(gè)化學(xué)源的煙羽模型，本文使用FLUENT軟件,建立了室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下單個(gè)化學(xué)源的二維湍流煙羽模型及室外通風(fēng)環(huán)境下多個(gè)化學(xué)源的二維湍流煙羽模型；同時(shí)設(shè)計(jì)了仿真機(jī)器人模型；并基于 MATLAB軟件，建立了多機(jī)器人化學(xué)源定位的可視化動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境,用于驗(yàn)證化學(xué)源定位方法的有效性。
　　其次，針對(duì)室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下單個(gè)化學(xué)源定位問(wèn)題，提

4、出了基于虛擬力的多機(jī)器人定位策略,該虛擬力包括多機(jī)器人之間的編隊(duì)控制力、用于跟蹤煙羽的目標(biāo)力及避障力。在化學(xué)源確認(rèn)方面，利用機(jī)器人編隊(duì)自身力的平衡性，采用計(jì)算氣體質(zhì)量通量的方法進(jìn)行判斷。仿真實(shí)驗(yàn)考察了在有（無(wú)）障礙物的室內(nèi)湍流環(huán)境下，機(jī)器人數(shù)目、機(jī)器人初始位置以及煙羽釋放率和風(fēng)速/風(fēng)向變化率對(duì)搜索速度的影響；并對(duì)三種常用煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性及通量趨向性的性能進(jìn)行了對(duì)比和優(yōu)劣分析。
　　再次，針對(duì)室外通風(fēng)環(huán)境下兩個(gè)化學(xué)源定位

5、問(wèn)題，同時(shí)為加快搜索速度，提出了采用兩組機(jī)器人并行搜索策略。為避免兩組機(jī)器人同時(shí)定位同一化學(xué)源，提出了添加虛擬斥力與旋轉(zhuǎn)力的多組機(jī)器人定位策略。仿真實(shí)驗(yàn)在有（無(wú)）障礙物的室外兩個(gè)化學(xué)源湍流環(huán)境下，探討了三種典型的煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性、通量趨向性中，不同初始位置和不同煙羽釋放率及風(fēng)速/風(fēng)向變化率對(duì)搜索速度的影響，并給出了三種煙羽跟蹤算法的比較結(jié)果。
　　然后，針對(duì)室外通風(fēng)環(huán)境下五個(gè)化學(xué)源定位問(wèn)題的研究需要，同時(shí)為更有效地發(fā)揮

6、并行搜索中每組機(jī)器人的搜索能力，提出了添加“釋放”機(jī)制的搜索策略，實(shí)現(xiàn)了一組機(jī)器人定位多個(gè)化學(xué)源的目的,同時(shí)還避免了化學(xué)源被重復(fù)定位的可能。該策略包括兩部分：禁忌域的設(shè)置和逃離禁忌域的釋放力設(shè)置。仿真實(shí)驗(yàn)首先使用一組機(jī)器人采用趨化性煙羽跟蹤算法對(duì)室外兩個(gè)化學(xué)源的煙羽模型進(jìn)行了修正實(shí)驗(yàn)，改善了之前使用兩組機(jī)器人的仿真結(jié)果；接下來(lái)，仿真實(shí)驗(yàn)探討了三種典型的煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性、通量趨向性中，禁忌域半徑、煙羽釋放率和風(fēng)速/風(fēng)向變化率以

7、及機(jī)器人組數(shù)對(duì)搜索速度的影響，同時(shí)給出了三種煙羽跟蹤算法的性能比較結(jié)果。
　　最后，研究了室內(nèi)無(wú)風(fēng)環(huán)境下多個(gè)化學(xué)源定位問(wèn)題，提出了基于修正螢火蟲優(yōu)化算法的搜索策略（M-GSO）。該策略包括煙羽發(fā)現(xiàn)（自探索全局搜索）、煙羽跟蹤（螢火蟲算法）、化學(xué)源確認(rèn)（化學(xué)源識(shí)別）和設(shè)置禁忌域四個(gè)階段。煙羽發(fā)現(xiàn)采用“自探索”機(jī)制，即隨機(jī)執(zhí)行螺旋搜索或波形搜索。煙羽跟蹤采用變步長(zhǎng)螢火蟲優(yōu)化算法搜索策略，當(dāng)螢火蟲位于搜索域的邊緣時(shí)，采用遞減的變步長(zhǎng)搜索