CN106918367B - 一种机器人主动搜寻定位气味源的方法 - Google Patents

一种机器人主动搜寻定位气味源的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人主动搜寻定位气味源的方法。该方法首先对所使用的搜寻定位气味源的全向移动机器人进行设计。烟羽发现阶段机器人与风向呈90‑180°之间的任意夹角，沿上风向行驶；风速小于设定阈值时，机器人进行Z字形遍历法进行全面搜索，遇边界改变行驶方向。烟羽追踪阶段机器人进行变步长变角度的摇摆运动，并结合机器人本体的360°全向旋转运动，如果还未检测到气体，机器人沿顺时针方向做向前的螺旋线运动，同时机器人本体做360°的全向旋转运动。气味源定位阶段利用机器人所携带的激光测距传感器和气体传感器对疑似气味源周围的气体浓度测量来进行气味源判断，最终完成定位。相比传统的气味源搜寻方法，本方法更具有实用性和鲁棒性。

Description

一种机器人主动搜寻定位气味源的方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体是一种机器人主动搜寻定位气味源的方法。
背景技术
随着工业的发展，石化产业已经成为了国民经济发展的重要支柱，同时，石化工厂的灾难事故以及有毒有害气体的泄露事件也呈现逐年上升的趋势，给国家和人民的财产造成了难以估量的损失。因此，对石化工厂以及危险化学物仓储环境的气体检测和气体泄露源搜寻和定位的研究十分重要。能否成功的研究出一种利用自主全向移动的机器人主动搜寻气味源的方法，保障国家和人民的财产安全和身体健康，为我国石化产业保驾护航具有重要的意义。
传统的气味源定位的方法主要有人工巡检和固定的传感网络法，然而，上述两种方法都有明显的不足和缺点，随着科学技术的发展，国内外许多学者开始利用移动机器人搭载气体传感器进行泄露源的搜寻和定位，即利用主动嗅觉来实现气味源的定位。Hayes将气味源的搜寻分为三个阶段：烟羽发现、烟羽跟踪和气味源定位。所谓烟羽，是指从气味源释放气味分子被风吹散，在空气中形成像羽毛一样飘扬的状态。二十世纪九十年代以来，学者们提出了很多相关的策略，主要依据化学趋向性和风趋向性，如Zigzag遍历算法、Spiral遍历算法、Surge类算法、Spiral-surge类算法等，这些方法都有明显的局限性，搜索效率低，搜寻速度慢，容易受到局部浓度最大值的干扰。因此，上述算法难以应用到复杂的实际环境当中。Russell等人在文献中提出的蚕蛾算法，通过模拟雄蛾跟踪雌蛾信息素的行为，主要包括surge运动、摇摆的casting运动和不规则的圆周运动。该算法搜索效率低，在具体的实际环境中没有考虑障碍物的影响，对气体信息的检测不够全面，没有提出具体的气味源确定的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种机器人主动搜寻定位气味源的方法。本方法考虑了风向和风速的影响因素，当风速小于设定的阈值，机器人采取不同的搜寻方式进行烟羽发现。在烟羽追踪阶段中，机器人进行变步长变角度的摇摆运动，并结合机器人本体的360°全向旋转运动；相比无规则的圆周运动，机器人采取向前的螺旋线运动和360°全向旋转相结合的运动方式，在复杂的湍流环境中，更有效的追踪气味信息，增加了运动的灵活性，提高检测气体的成功率。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种机器人主动搜寻定位气味源的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，设计该方法中所使用的搜寻定位气味源的全向移动机器人：
所述机器人采用具有全向移动功能的轮式结构；所述机器人的前部安装有五个气体传感器，五个气体传感器呈半圆状分布，相邻两个气体传感器之间的夹角为45°，其中一个气体传感器位于机器人正前方，用于检测气体的浓度，检测到的浓度在烟羽跟踪阶段决定机器人下一步的转向；所述机器人的顶部安装有风向传感器和风速传感器，用于检测环境中的风速和风向；所述机器人的侧面安装有三个激光测距传感器，呈半圆状分布，其中一个激光测距传感器位于机器人正前方，相邻两个激光测距传感器之间的夹角为90°，用于检测障碍物和最终气味源的确认；
步骤二，机器人搜寻定位气味源，包括以下三个阶段：
(I)烟羽发现阶段：机器人搜寻任务开始，首先利用风速传感器检测风速，当测量风速≤设定的风速阈值时，机器人采取Z字形遍历搜索法进行全面搜索，前进的同时结合机器人本体360°全向旋转，遇边界改变行驶方向；当测量风速＞设定的风速阈值时，风向传感器工作，机器人转向为与风向呈90-180°之间的任意夹角，同时机器人本体进行360°旋转，并开始沿着上风向向前行驶；向前行驶后未检测到气体，遇到障碍后改变方向，朝着当前行驶方向的另一侧，与风向呈90-180°之间的任意夹角继续沿上风向行驶，同时机器人本体进行360°旋转，直到检测到气体信息，烟羽发现阶段结束；
(II)烟羽追踪阶段：
机器人检测到烟羽后，调转机器人的方向，使机器人逆风前进直到检测到气味源，搜寻任务结束；
如果逆风前进一段时间后，气体信息丢失，机器人根据五个气体传感器先前测得的气体浓度数据，设定初始步长值d0，机器人转向测得的平均浓度高的一侧，与当前前进方向的转角为22.5°，沿该方向前进d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转45°，沿该方向前进2d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转67.5°，沿该方向前进3d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转90°，沿该方向前进4d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转112.5°，沿该方向前进5d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转135°，沿该方向前进6d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
机器人在上述变步长变角度的摆动运动之后，如果还未检测到气体，机器人开始沿顺时针方向做向前的螺旋线运动，同时机器人本体做360°的全向旋转运动，顺时针移动两圈后，如果检测到气体信息，机器人继续逆风前进，如果未检测到气体信息，继续做同样的动作，直到检测到气体；
(III)气味源定位阶段：气味源的定位需满足两个条件：气味源的浓度大于设定的阈值；气味源本身也是障碍物；
当气体传感器测得的气体浓度大于预先设定的浓度阈值，利用激光测距传感器器进行障碍物检测；障碍物检测的方法是：机器人在障碍物附近进行圆周运动，同时机器人本体做360°的旋转运动，全面检测周围气体浓度是否发生大范围变化，当满足上述两个条件时，气味源定位完成，搜寻任务结束。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1.本方法采用的全向移动机器人利用麦克纳姆轮，机器人可以采取全向移动和本体360°全向旋转相结合的运动方式。机器人移动更加灵活，活动范围更广，可以实现全方位的搜寻功能，可适用于更加复杂的实际环境。
2.本方法采用的全向移动机器人前端搭载五个气体传感器，呈半圆状分布，相邻两个气体传感器之间的夹角为45°，其中一个气体传感器位于机器人正前方；机器人侧面搭载三个激光测距传感器，呈半圆状分布，其中一个激光测距传感器位于机器人正前方，相邻两个激光测距传感器之间的夹角为90°；风向传感器和风速传感器位于机器人顶部。采用多种传感器融合的布置方式可以更广泛的检测到周围的气体浓度信息、风向信息和障碍物信息，有利于获得全面的检测数据，提高了机器人搜寻气味源的效率。
3.相比传统的气味源搜寻方法，本方法更加具有实用性和鲁棒性。当风速小于设定的阈值，机器人采取不同的搜寻方式进行烟羽发现。在烟羽追踪阶段中，机器人进行变步长变角度的摇摆运动，并结合机器人本体的全向旋转运动，如果还未检测到气体，机器人沿顺时针方向做向前的螺旋线运动，同时机器人本体做360°的全向旋转运动。相比无规则的圆周运动，机器人采取向前的螺旋线运动和本体360°全向旋转相结合的运动方式，在复杂的湍流环境中，更有效的追踪气味信息，增加了运动的灵活性，提高检测气体的成功率。
附图说明
图1为本发明机器人主动搜寻定位气味源的方法一种实施例的全向移动机器人整体结构示意图；(图中：1、风向传感器；2、风速传感器；3、气体传感器；4、激光测距传感器；5、麦克纳姆轮)
图2为本发明机器人主动搜寻定位气味源的方法一种实施例的全向移动机器人整体结构俯视示意图；(图中：1、风向传感器；2、风速传感器；3、气体传感器；4、激光测距传感器；5、麦克纳姆轮)
图3为本发明机器人主动搜寻定位气味源的方法一种实施例的全向移动机器人搜寻气味源过程的行走路线图；(图中：A区域表示机器人逆风行走的过程；B区域表示机器人烟羽追踪过程中的变步长变角度的摇摆运动；C区域表示机器人向前的螺旋线运动和本体360°全向旋转相结合运动，圆圈表示机器人本体的全向旋转；黑色箭头表示风向)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种机器人主动搜寻定位气味源的方法(参见图1-3，简称方法)，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，设计该方法中所使用的搜寻定位气味源的全向移动机器人(简称机器人)：
所述机器人采用轮式结构，选用具有全向移动功能的麦克纳姆轮5；所述机器人的前部安装有五个气体传感器3，五个气体传感器3呈半圆状分布，相邻两个气体传感器3之间的夹角为45°，其中一个气体传感器3位于机器人正前方，用于检测气体的浓度，检测到的浓度在烟羽跟踪阶段决定机器人下一步的转向；所述机器人的顶部安装有风向传感器1和风速传感器2，用于检测环境中的风速和风向；所述机器人的侧面安装有三个激光测距传感器4，呈半圆状分布，其中一个激光测距传感器4位于机器人正前方，相邻两个激光测距传感器4之间的夹角为90°，用于检测障碍物和最终气味源的确认；
步骤二，机器人搜寻定位气味源，包括以下三个阶段：
(I)烟羽发现阶段：机器人搜寻任务开始，首先利用风速传感器2检测风速，当测量风速≤设定的风速阈值时，机器人采取Z字形遍历搜索法进行全面搜索，前进的同时结合机器人本体360°全向旋转，遇边界改变行驶方向；当测量风速＞设定的风速阈值时，风向传感器1工作，机器人转向为与风向呈90-180°之间的任意夹角，同时机器人本体进行360°旋转，并开始沿着上风向向前行驶；向前行驶后未检测到气体，遇到障碍后改变方向，朝着当前行驶方向的另一侧，与风向呈90-180°之间的任意夹角继续沿上风向反向行驶，同时机器人本体进行360°旋转，直到检测到气体信息，烟羽发现阶段结束；
(II)烟羽追踪阶段：
机器人检测到烟羽后，调转机器人的方向，使机器人逆风前进直到检测到气味源，搜寻任务结束；
如果逆风前进一段时间后，气体信息丢失，机器人根据五个气体传感器3先前测得的气体浓度数据，机器人转向测得的平均浓度高的一侧，与当前前进方向的转角为22.5°，设定初始步长为d0，沿该方向前进d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转45°，沿该方向前进2d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转67.5°，沿该方向前进3d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转90°，沿该方向前进4d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转112.5°，沿该方向前进5d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转135°，沿该方向前进6d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
机器人在上述变步长变角度的摆动运动之后，如果还未检测到气体，机器人开始沿顺时针方向做向前的螺旋线运动，同时机器人本体做360°的全向旋转运动，顺时针移动两圈后，如果检测到气体信息，机器人继续逆风前进，如果未检测到气体信息，继续做同样的动作，直到检测到气体；
(III)气味源定位阶段：气味源的定位需满足两个条件：气味源的浓度大于设定的阈值；气味源本身也是障碍物；
当气体传感器3测得的气体浓度大于预先设定的浓度阈值，利用激光测距传感器器4进行障碍物检测；障碍物检测的方法是：机器人在障碍物附近进行圆周运动，同时机器人本体做360°的旋转运动，全面检测周围气体浓度是否发生大范围变化，当满足上述两个条件时，气味源定位完成，搜寻任务结束。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种机器人主动搜寻定位气味源的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，设计该方法中所使用的搜寻定位气味源的全向移动机器人：
所述机器人采用具有全向移动功能的轮式结构；所述机器人的前部安装有五个气体传感器，五个气体传感器呈半圆状分布，相邻两个气体传感器之间的夹角为45°，其中一个气体传感器位于机器人正前方，用于检测气体的浓度，检测到的浓度在烟羽跟踪阶段决定机器人下一步的转向；所述机器人的顶部安装有风向传感器和风速传感器，用于检测环境中的风速和风向；所述机器人的侧面安装有三个激光测距传感器，呈半圆状分布，其中一个激光测距传感器位于机器人正前方，相邻两个激光测距传感器之间的夹角为90°，用于检测障碍物和最终气味源的确认；
步骤二，机器人搜寻定位气味源，包括以下三个阶段：
(I)烟羽发现阶段：机器人搜寻任务开始，首先利用风速传感器检测风速，当测量风速≤设定的风速阈值时，机器人采取Z字形遍历搜索法进行全面搜索，前进的同时结合机器人本体360°全向旋转，遇边界改变行驶方向；当测量风速＞设定的风速阈值时，风向传感器工作，机器人转向为与风向呈90-180°之间的任意夹角，同时机器人本体进行360°旋转，并开始沿着上风向向前行驶；向前行驶后未检测到气体，遇到障碍后改变方向，朝着当前行驶方向的另一侧，与风向呈90-180°之间的任意夹角继续沿上风向行驶，同时机器人本体进行360°旋转，直到检测到气体信息，烟羽发现阶段结束；
(II)烟羽追踪阶段：
机器人检测到烟羽后，调转机器人的方向，使机器人逆风前进直到检测到气味源，搜寻任务结束；
如果逆风前进一段时间后，气体信息丢失，机器人根据五个气体传感器先前测得的气体浓度数据，设定初始步长值d0，机器人转向测得的平均浓度高的一侧，与当前前进方向的转角为22.5°，沿该方向前进d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转45°，沿该方向前进2d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转67.5°，沿该方向前进3d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转90°，沿该方向前进4d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转112.5°，沿该方向前进5d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
如果未检测到气体信息，机器人停止前进，机器人向当前行驶方向的另一侧旋转135°，沿该方向前进6d0，如果气体信息丢失，机器人本体旋转360°对周围的气体信息进行全方位检测，若重新检测到气体，继续逆风前进；
机器人在上述变步长变角度的摆动运动之后，如果还未检测到气体，机器人开始沿顺时针方向做向前的螺旋线运动，同时机器人本体做360°的全向旋转运动，顺时针移动两圈后，如果检测到气体信息，机器人继续逆风前进，如果未检测到气体信息，继续做同样的动作，直到检测到气体；
(III)气味源定位阶段：气味源的定位需满足两个条件：气味源的浓度大于设定的阈值；气味源本身也是障碍物；
当气体传感器测得的气体浓度大于预先设定的浓度阈值，利用激光测距传感器器进行障碍物检测；障碍物检测的方法是：机器人在障碍物附近进行圆周运动，同时机器人本体做360°的旋转运动，全面检测周围气体浓度是否发生大范围变化，当满足上述两个条件时，气味源定位完成，搜寻任务结束。
2.根据权利要求1所述的机器人主动搜寻定位气味源的方法，其特征在于所述机器人的轮式结构选用具有全向移动功能的麦克纳姆轮。
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一种新的移动机器人气体泄漏源视觉搜寻方法;蒋萍等;《机器人》;20090915(第05期);全文 *
主动嗅觉研究现状;孟庆浩等;《机器人》;20060128(第01期);全文 *

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