本文關(guān)鍵詞：基于虛擬力的多機(jī)器人化學(xué)源定位研究

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【摘要】：近年來,隨著越來越多的有害化學(xué)品意外泄露和逐漸增長的生化恐怖襲擊,一些學(xué)者開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、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、檢測和跟蹤。而對(duì)于更為復(fù)雜的情況:多化學(xué)源的高效、快速定位問題給予的關(guān)注很少。然而,這類問題在實(shí)際生活中更加常見,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,必須快速檢測并定位到所有的化學(xué)源。解決多化學(xué)源定位問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)境開始,針對(duì)于單個(gè)及多個(gè)化學(xué)源定位問題,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)源定位問題,提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)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)源定位問題,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)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)源定位問題的研究需要,同時(shí)為更有效地發(fā)揮并行搜索中每組機(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,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)無風(fēng)環(huán)境下多個(gè)化學(xué)源定位問題,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),采用遞減的變步長搜索策略,當(dāng)螢火蟲隨機(jī)放置在搜索域時(shí),采用均勻分布或正態(tài)分布的變步長策略�；瘜W(xué)源確認(rèn)采用三步確認(rèn)策略:收斂點(diǎn)→假定化學(xué)源→確認(rèn)化學(xué)源。實(shí)驗(yàn)證明修正螢火蟲優(yōu)化算法效果良好,不僅在給定的三種初始機(jī)器人位置分布上,定位到了全部化學(xué)源,同時(shí)也提高了搜索速度。該論文有圖118幅,表32個(gè),參考文獻(xiàn)167篇。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
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本文編號(hào)：1296044