有毒/有害氣體或氣味的泄漏通常會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。當(dāng)氣味泄漏發(fā)生時(shí),對(duì)危險(xiǎn)氣味進(jìn)行快速準(zhǔn)確的探測、跟蹤和定位非常重要。隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)發(fā)展,使用自主機(jī)器人代替操作人員對(duì)危險(xiǎn)氣味源進(jìn)行嗅探定位變得可能,并逐漸形成了機(jī)器人主動(dòng)嗅覺這個(gè)研究領(lǐng)域。本領(lǐng)域人員目前主要采用地面移動(dòng)機(jī)器人在二維環(huán)境下開展主動(dòng)嗅覺的研究,但現(xiàn)實(shí)環(huán)境下氣味在三維空間擴(kuò)散,因此開展三維環(huán)境下的主動(dòng)嗅覺研究非常必要�？紤]到大量開展三維主動(dòng)嗅覺的實(shí)驗(yàn)難度較大且實(shí)際環(huán)境下氣味煙羽無法重復(fù),本文基于旋翼無人機(jī)對(duì)三維機(jī)器人主動(dòng)嗅覺仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)展開了研究。主要研究工作總結(jié)如下:（1）建立了旋翼氣動(dòng)效應(yīng)和無人機(jī)位姿運(yùn)動(dòng)對(duì)氣味擴(kuò)散影響的數(shù)值化模型。通過流體力學(xué)中的渦方法對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)場進(jìn)行了理論分析,將旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的尾跡簡化為螺旋狀的渦絲結(jié)構(gòu),建立了渦絲運(yùn)動(dòng)的微分控制方程,根據(jù)渦絲的位置可以計(jì)算出空間中旋翼產(chǎn)生的擾動(dòng)氣流場。無人機(jī)在氣味嗅探過程中產(chǎn)生位姿運(yùn)動(dòng),通過建立無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和控制器模型可以準(zhǔn)確地模擬無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,然后與旋翼渦絲模型相結(jié)合可以仿真出無人機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的擾動(dòng)流場。（2）開發(fā)了用于三維... 

【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

姜小寶等人結(jié)合設(shè)計(jì)的二維煙羽仿真工具[21]

天津大學(xué)碩士學(xué)位論文6Monroy[28]等人也在ROS開源平臺(tái)中開發(fā)了三維氣味煙羽仿真工具，通過建立仿真環(huán)境模型，加入了自主機(jī)器人的三維模型，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)工具模擬室內(nèi)環(huán)境下的風(fēng)場，并實(shí)現(xiàn)了氣味建圖、機(jī)器人導(dǎo)航等功能，能對(duì)多氣味源的氣味擴(kuò)散進(jìn)行模擬。圖1-8Monroy等人開發(fā)的機(jī)器人主動(dòng)嗅覺仿真軟件[28]1.3存在的問題根據(jù)1.2節(jié)介紹的已有仿真工具，雖然已經(jīng)有些仿真工具能仿真三維環(huán)境下氣味煙羽的擴(kuò)散過程，這些已有的成果都側(cè)重于研究地面二維平面內(nèi)機(jī)器人進(jìn)行氣味源搜尋的過程，想要應(yīng)用于三維空間內(nèi)旋翼無人機(jī)氣味搜尋的仿真還有一些亟需解決的痛點(diǎn)：一、機(jī)器人氣味搜索的過程局限于近地平面內(nèi)；二、氣味搜尋過程中，機(jī)器人本體對(duì)煙羽擴(kuò)散的影響都被忽略了。氣味在擴(kuò)散過程中會(huì)向空中傳播，如圖1-9所示，煙羽從煙餅處產(chǎn)生之后會(huì)隨著氣流上下飄散。密度大的氣體會(huì)下沉積聚在近地面?zhèn)鞑�，密度小的氣體會(huì)向空中飄散，密度與空氣相近的氣體會(huì)隨著流場彌漫飄散。無人機(jī)的對(duì)氣味搜尋時(shí)會(huì)在三維空間中升降、懸停和低速巡航，需要對(duì)嗅探機(jī)器人在空間中的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真。旋翼無人機(jī)在氣味進(jìn)行嗅探的過程中旋翼會(huì)對(duì)空間中氣味的擴(kuò)散過程造成影響，如圖1-10所示，無人機(jī)上方的煙羽被吸入旋翼中然后向下噴射，旋翼無人機(jī)附近空間內(nèi)的流場都不同程度的受到旋翼旋轉(zhuǎn)的影響[29,30]。這種旋翼對(duì)周邊流場的影響作用也會(huì)隨著無人機(jī)升降、懸停和平動(dòng)飛行等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而發(fā)生變化[31]。已有的仿真平臺(tái)都將嗅探機(jī)器人本體當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來考慮的，把嗅探機(jī)器人本體對(duì)氣味傳播的影響都忽略了。1.2節(jié)介紹的仿真方法大多在采用CFD仿

第1章緒論7真環(huán)境流場的基礎(chǔ)上對(duì)煙羽的擴(kuò)散進(jìn)行模擬，如果還用這種方法對(duì)旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行CFD流程仿真，在無人機(jī)本體位置運(yùn)動(dòng)之后就需要對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分然后解算仿真流程，這種仿真的過程會(huì)變得異常復(fù)雜緩慢。因此，針對(duì)這兩個(gè)存在的問題，需要采用新的數(shù)值化仿真方法對(duì)旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程中的煙羽擴(kuò)散進(jìn)行仿真。圖1-9煙羽隨著風(fēng)流在三維空間中擴(kuò)散圖1-10旋翼機(jī)器人對(duì)周圍空間中氣味煙羽傳播的影響1.4論文研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容是旋翼機(jī)器人在三維空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣味煙羽仿真問題，通過對(duì)無人機(jī)位姿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程在無人機(jī)附近產(chǎn)生的擾動(dòng)流場進(jìn)行流體力學(xué)分析，實(shí)時(shí)計(jì)算出無人機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)周圍產(chǎn)生的流場影響，然后搭建仿真空間三維模型，運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)仿真工具對(duì)環(huán)境流場進(jìn)行仿真，綜合考慮環(huán)境流場和擾動(dòng)流場對(duì)煙羽擴(kuò)散產(chǎn)生的影響進(jìn)行仿真計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間中機(jī)器人主動(dòng)嗅覺的仿真。各章節(jié)的內(nèi)容和章節(jié)間的邏輯關(guān)系詳述如下：第一章，介紹了論文的研究背景和意義。首先，敘述了在機(jī)器人主動(dòng)嗅覺研

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]小型無人直升機(jī)動(dòng)態(tài)分析與非線性控制研究[D]. 郭建川.天津大學(xué) 2014
[2]動(dòng)態(tài)氣流環(huán)境下氣味煙羽仿真與氣味源定位[D]. 王陽.天津大學(xué) 2013
[3]湍動(dòng)氣流主控環(huán)境下多機(jī)器人氣味源定位[D]. 李飛.天津大學(xué) 2009

碩士論文
[1]室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下氣體/氣味擴(kuò)散的數(shù)值模擬[D]. 姜小寶.天津大學(xué) 2012
[2]室外近地面流場特性分析及煙羽重現(xiàn)[D]. 李慧霞.天津大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3097214