CN113358817A - 一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置 - Google Patents

一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置 Download PDF

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CN113358817A CN202110434444.6A CN202110434444A CN113358817A CN 113358817 A CN113358817 A CN 113358817A CN 202110434444 A CN202110434444 A CN 202110434444A CN 113358817 A CN113358817 A CN 113358817A
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Abstract

本发明涉及一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，装置包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；传感器阵列模块与传动机构模块连接；主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接，以基于气体浓度梯度方向通过变角度追踪驱动装置自动锁定气体源位置，具体采用了自动搜寻算法。本发明的装置结构简单，能够实现多种类气体的同时检测，不需要配置风向、风速测试等仪器元件，能够实现三维空间内的气体检测与气体源的准确定位。

Description

一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置
技术领域
本发明属于气体源定位技术领域，涉及一种气体源定位装置，尤其是涉及一种采用传感器阵列的基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置。
背景技术
日常生产生活中，当某些气体特别是有毒、易燃、易爆等气体浓度高于安全值时，会引起极大的危险，这会给人们的生命和财产造成巨大损失。因此，实现气体的准确监测和气体源的快速定位，有利于及时实施应对措施及救援，对于人们的生产生活具有重大意义。
目前业内采用的气体源定位技术多数是通过测量扩散空间内不同位置处的气体浓度和风向信息，然后结合气体扩散理论模型进行运算分析，从而实现气体源位置的判定。此类功能主要通过如下两种技术路线来实现：
(1)采用分布于测试区域内不同位置的固定式无线传感节点，通过传感节点的检测信息，对测试区域内的气体分布特性进行分析，从而推演出气体源的位置，但该方法需要根据实际应用场景进行传感节点的优化布置，当存在障碍物和风向干扰时容易出现错判，并存在监测盲点；
(2)采用携带气体检测装置的移动式机器人，通过群机器人的协同工作，从而分析气体源的位置信息，然而此方法需要多台机器人和相关设备，其成本和能耗较高，群机器人之间的有序协同工作控制复杂，其便携性较差。
此外，以上两种技术路线都需要配备风向、风速检测装置来辅助气体源的定位，这使得其硬件设备复杂，其实现成本较高。
目前现有技术的不足之处可概括如下：
(1)只能针对一种气体进行检测，若需要同时对多种气体源进行检测，需要配置多台设备，其设备成本较高；
(2)设备上需要配置风速、风向检测等仪器部件，设备硬件复杂，便携性能较差；
(3)多数设备只能实现二维平面范围内的检测，不具备三维空间的指示功能，实际应用性能不高。
因此，亟待研究一种气体源定位装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；
主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接；传感器阵列模块与传动机构模块连接；
传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；电路接口为绕点O圆周均匀分布在所述平板上的插槽或插孔；所述插槽或插孔连接同种或异种型号气体传感器(当连接同种类型传感器时，适用于单种气体源的检测与溯源任务；当连接异种类型传感器时，实现对多种气体源的监测以及溯源任务，在此工作模式下，可以设定不同气体的优先级，制定不同气体源搜寻定位任务的先后序列)，同种型号气体传感器的数量大于等于1，且当其大于1时沿圆周均匀排列；本发明中传感器阵列模块上的气体传感器阵列绕点O圆周均匀分布，传感器阵列圆形的直径即“绕点O圆周均匀分布”中的圆周的直径，尺寸不限，只要不是极其微小即可，因为当其极其微小时气体传感器将无法分辨出气体浓度梯度；点O可以为位于平板上的任意一点；
气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；
传动机构模块用于在主控器的控制下绕点O水平旋转和垂直旋转所述平板，带动气体传感器阵列在某一位置处实现一个球面空间范围的气体浓度检测；传动机构模块内部预留通道用于布置线路，以完成传感器阵列模块与主控制器之间的信息交互以及供电，驱动装置自动搜寻气体源所处位置；
机器人移动平台用于在主控器的控制下带动气体源定位装置整体沿地面移动；
人机交互模块用于设定系统参数以及在主控器的控制下呈现提示信息；
主控器用于采用自动搜寻算法进行气体源的自动搜寻任务，其基于气体浓度梯度方向通过变角度追踪驱动装置自动锁定气体源位置；自动搜寻算法的主流程如下：
(1)开始；
(2)系统初始化；
(3)调整传感器阵列模块的平板使其与地面平行，控制机器人移动平台在所监控区域内随机移动，检测所有气体传感器的实时数据；
(4)判断是否存在气体传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值，如果是，则通过人机交互模块发出提示警报后进入下一步；反之，则返回步骤(3)；
(5)判断超过预设的安全阈值的气体是否仅一种，如果是，则直接将其作为目标气体，进入下一步；反之，则比较所有超过预设的安全阈值的气体的优先级，将优先级最高的气体作为目标气体后，进入下一步；
(6)通过变角度追踪算法搜寻并逐步靠近目标气体的气源点；
(7)通过气体源位置锁定算法锁定气源点的位置；
(8)通过疑似气源点剔除算法搜寻气源点；
(9)机器人移动平台移动至气源点极近位置(即检测到的气体浓度值达到最高值的位置，或者是机器人移动平台被障碍物阻挡了不能进一步靠近的位置)处后绕点O水平旋转和垂直所述平板，检测所处位置三维空间内的气体浓度梯度方向(传感器阵列模块的平板发生水平旋转和垂直旋转后，能够实现球面内任意位置的气体浓度检测，从而可以知道气体源的三维空间方位)，并报送气体源的三维位置信息；
(10)判断是否接收到结束任务指令，如果是，则结束；反之，则返回步骤(3)；
变角度追踪算法的流程如下：
(a1)进入子程序；
(a2)令i＝0；
(a3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，v为目标气体对应的气体传感器的个数，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，确定检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a4)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a5)驱动机器人移动平台沿着θi方向前行前进距离S(S的取值是人为设定的，S的取值范围与传感器阵列圆形的直径差别不要太多就可以，优选地，S等于传感器阵列圆形的直径)；
(a6)令i＝i+1；
(a7)更新传感器Sx在当前位置处检测到的气体浓度Gi；
(a8)判断Gi＜Gi-1是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则继续驱动机器人移动平台沿着θi-1方向前行距离S后，返回步骤(a7)；
(a9)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，更新当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a10)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a11)判断Gi＞Gt(仿真实验中，Gt设为纯净目标气体浓度的80％，既可以实现较为高效的搜寻，该值越小，则变角度追踪算法所需时间越少，但后续程序耗时则变长，虽然该值设定的较小也能完成自动定位全过程，但经验表明该数值不能太小)是否成立，或者是否遇到障碍物(遇到障碍物的判定是通过机器人移动平台的反馈信息来判定的)，如果是，则返回方向值θi，返回主程序；反之，则沿θi方向前进距离S后，返回步骤(a6)；
气体源位置锁定算法的流程如下：
(b1)进入子程序；
(b2)在当前位置以变角度追踪算法返回的方向值θi为x轴正方向，建立y轴平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；当x轴确定、中心确定时，存在两条方向相反的y轴平行于地面，任选其中一条即可，精度和效率是相同的，y轴的用途仅仅是为了通过三角运算确定气源点的位置；
(b3)驱动机器人移动平台沿y轴方向前行距离S；
(b4)令i＝i+1(i是全局变量，就是主程序中的i)；
(b5)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(b6)计算当前位置气体浓度梯度方向变化值θr(θr为上一步中传感器阵列模块平板旋转前与停止后的旋转角度差)；
(b7)通过几何运算计算确定气源点位置坐标(Xg,Yg)，其位置坐标计算公式如下：
Xg＝S×tan(90°-θr)；
Yg＝0；
(b8)返回主程序；
疑似气源点剔除算法的流程如下：
(c1)进入子程序；
(c2)驱动机器人移动平台沿θi方向前进，行进至(Xg,Yg)位置极近(即检测到的气体浓度值达到最高值的位置，或者是机器人移动平台被障碍物阻挡了不能进一步靠近的位置)处；
(c3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gg；
(c4)以(Xg,Yg)为原点，建立x轴与y轴(任意相互垂直的两轴都可以)都平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系(只要是与地面平行的直角坐标系都可以)；
(c5)令j＝0；
(c6)驱动定位装置移动到位置(Xj,Yj)处，(Xj,Yj)位置坐标按照如下公式计算：
Xj＝Xg+R×cos(j×θc)；
Yj＝Yg+R×sin(j×θc)；
其中，R和θc为系统预设值(预设范围为R≤S，θc≤90°)；
(c7)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gj；
(c8)判断是否(Xj,Yj)的任意位置处存在Gj>Gg，如果是，则更新(Xg,Yg)坐标位置为(Xj,Yj)，返回步骤(c2)；反之，则进入下一步；
(c9)判断j≥360/θc是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则令i＝i+1，j＝j+1，返回步骤(c6)；
(c10)确认位置(Xg,Yg)为所搜寻的气源点；
(c11)返回主程序。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，还包括电源模块；电源模块分别与主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块、机器人移动平台和人机交互模块连接。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，主控制器为MCU、MPU、DSP或FPGA(根据选择的控制器的不同，相应的硬件电路则需要相应的改变)。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，人机交互模块包括按键或触摸屏、扬声器、显示屏和电路。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，同种型号气体传感器的数量大于等于4，理论上本发明中每种型号气体传感器的数量只要大于等于1即可，但是实际实验的检测效率很低，因为所有的气体传感器都有一个响应时间，为了检测某个位置处的气体浓度，转盘需要在该位置静止一段时间，因而优选地，本发明控制同种型号气体传感器的数量大于等于4。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，平板为圆板，圆板是本发明最优的一个设计选择，原理上平板的形状无关紧要，只要上面的气体传感器沿圆周均匀分布即可，本发明通过平板上已固定确定的气体传感器位置，利用程序算法计算气体浓度梯度方向，从而控制装置的位置移动方向；圆板的中心与点O重合，以便于简化程序算法。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，传动机构模块包括水平轴、竖直轴、C形件、第一驱动机构和第二驱动机构；水平轴穿过圆板的周面将其等分为两半；水平轴与C形件连接成“D”形结构，竖直轴与C形件连接成“Y”形结构；第一驱动机构用于驱动水平轴转动，进而带动圆板作垂直旋转运动；第二驱动机构用于驱动竖直轴旋转，进而带动圆板作水平旋转运动；垂直旋转和水平旋转的中心为圆板的中心；传动机构模块的结构不限于此，只要能够带动传感器阵列模块实现一个球面范围的转动都可适用于本发明，此处仅示例性给出一种结构，此结构中，竖直轴的转动类似于地球的纬度旋转，水平轴的转动类似于地球的经度旋转，通过这两个轴的配合旋转，从而实现球面内任意点位置的气体检测。
如上所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，所有超过预设的安全阈值的气体的优先级根据浓度或危害风险性确定，浓度或危害风险性越高，优先级越高。
有益效果
1)本发明的装置能够实现多种类气体的同时检测，并能根据气体的危害程度、价格成本等因素预先设定待测气体溯源任务的优先级；
2)本发明的装置不需要配置风向、风速测试等仪器元件，具有设备简单、便携性能高等优点；
3)本发明的装置能够实现三维空间内的气体检测与气体源的准确定位，在仿真实验中装置能准确锁定气体源目标，没有误差。
附图说明
图1为本发明的气体源定位装置的结构图；
图2为本发明的传感器阵列模块的示意图；
图3为本发明的传动机构模块的示意图；
图4为本发明的自动搜寻算法的主流程图；
图5为本发明的变角度追踪算法的流程图；
图6为本发明的气体源位置锁定算法的流程图；
图7为本发明的疑似气源点剔除算法的流程图；
其中，1-水平轴，2-竖直轴，3-C形件，4-第一驱动机构，5-第二驱动机构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，如图1所示，包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块、电源模块；
电源模块分别与主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块、机器人移动平台和人机交互模块连接；
主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接；传感器阵列模块与传动机构模块连接；
如图2所示，传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器(图中气体传感器共n个，分别为S1、S2...Sn)；电路接口为绕点O圆周均匀分布在平板上的插槽或插孔；插槽或插孔连接同种或异种型号气体传感器(当连接同种类型气体传感器时，处于工作模式一，适用于单种气体源的溯源任务；当连接异种类型气体传感器时，处于工作模式二，实现对多种气体源的监测以及溯源任务，在此工作模式下，可以设定不同气体的优先级，制定不同气体源搜寻定位任务的先后序列；)，同种型号气体传感器的数量大于等于4，且沿圆周均匀排列；平板为圆板，圆板的中心与点O重合；
气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；
传动机构模块用于在主控器的控制下绕点O水平旋转和垂直旋转所述平板，带动气体传感器阵列在某一位置处实现一个球面空间范围的气体浓度检测；传动机构模块内部预留通道用于布置线路，以完成传感器阵列模块与主控制器之间的信息交互以及供电，驱动装置自动搜寻气体源所处位置；如图3所示，传动机构模块包括水平轴1、竖直轴2、C形件3、第一驱动机构4(具体结构不限，只要能发挥相应的功能即可，图中仅示出了部分结构)和第二驱动机构5(具体结构不限，只要能发挥相应的功能即可，图中仅示出了部分结构)；水平轴1穿过圆板的周面将其等分为两半；水平轴1与C形件3连接成“D”形结构，竖直轴2与C形件3连接成“Y”形结构；第一驱动机4构用于驱动水平轴1转动，进而带动圆板作垂直旋转运动；第二驱动机构5用于驱动竖直轴2旋转，进而带动圆板作水平旋转运动；垂直旋转和水平旋转的中心为圆板的中心；
机器人移动平台用于在主控器的控制下带动气体源定位装置整体沿地面移动；
人机交互模块包括按键或触摸屏、扬声器、显示屏和电路；人机交互模块用于设定系统参数以及在主控器的控制下呈现提示信息；
主控制器为MCU、MPU、DSP或FPGA(根据选择的控制器的不同，相应的硬件电路则需要相应的改变)，用于采用自动搜寻算法进行气体源的自动搜寻任务，如图4所示，自动搜寻算法的主流程如下：
(1)开始；
(2)系统初始化；
(3)调整传感器阵列模块的平板使其与地面平行，控制机器人移动平台在所监控区域内随机移动，检测所有气体传感器的实时数据；
(4)判断是否存在气体传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值Gx0(x＝1,2,……,m分别对应于不同的气体)，如果是，则通过人机交互模块发出提示警报后进入下一步；反之，则返回步骤(3)；
(5)判断超过预设的安全阈值的气体是否仅一种，如果是，则直接将其作为目标气体，进入下一步；反之，则比较所有超过预设的安全阈值的气体的优先级，将优先级最高的气体作为目标气体后，进入下一步；
(6)通过变角度追踪算法搜寻并逐步靠近气源点；如图5所示，变角度追踪算法的流程如下：
(a1)进入子程序；
(a2)令i＝0；
(a3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，v为目标气体对应的气体传感器的个数，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，确定检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a4)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a5)驱动机器人移动平台沿着θi方向前行前进距离S(S的取值是人为设定的，S的取值范围与传感器阵列圆形的直径差别不要太多就可以，优选地，S等于传感器阵列圆形的直径)；
(a6)令i＝i+1；
(a7)更新传感器Sx在当前位置处检测到的气体浓度Gi；
(a8)判断Gi＜Gi-1是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则继续驱动机器人移动平台沿着θi-1方向前行距离S后，返回步骤(a7)；
(a9)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，更新当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a10)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a11)判断Gi＞Gt(仿真实验中，Gt设为纯净目标气体浓度的80％，既可以实现较为高效的搜寻，该值越小，则变角度追踪算法所需时间越少，但后续程序耗时则变长，虽然该值设定的较小也能完成自动定位全过程，但经验表明该数值不能太小)是否成立，或者是否遇到障碍物，如果是，则返回方向值θi，返回主程序；反之，则沿θi方向前进距离S后，返回步骤(a6)；
(7)通过气体源位置锁定算法锁定气源点的位置；如图6所示，气体源位置锁定算法的流程如下：
(b1)进入子程序；
(b2)在当前位置以变角度追踪算法返回的方向值θi为x轴正方向，建立y轴平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；当x轴确定、中心确定时，存在两条方向相反的y轴平行于地面，任选其中一条即可，精度和效率是相同的，y轴的用途仅仅是为了通过三角运算确定气源点的位置；
(b3)驱动机器人移动平台沿y轴方向前行距离S；
(b4)令i＝i+1(i是全局变量，就是主程序中的i)；
(b5)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(b6)计算当前位置气体浓度梯度方向变化值θr；
(b7)通过几何运算计算确定气源点位置坐标(Xg,Yg)，其位置坐标计算公式如下：
Xg＝S×tan(90°-θr)；
Yg＝0；
(b8)返回主程序；
(8)通过疑似气源点剔除算法搜寻气源点；如图7所示，疑似气源点剔除算法的流程如下：
(c1)进入子程序；
(c2)驱动机器人移动平台沿θi方向前进，行进至(Xg,Yg)位置极近(即检测到的气体浓度值达到最高值的位置，或者是机器人移动平台被障碍物阻挡了不能进一步靠近的位置)处；
(c3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gg；
(c4)以(Xg,Yg)为原点，建立x轴与y轴都平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；
(c5)令j＝0；
(c6)驱动定位装置移动到位置(Xj,Yj)处，(Xj,Yj)位置坐标按照如下公式计算：
Xj＝Xg+R×cos(j×θc)；
Yj＝Yg+R×sin(j×θc)；
其中，R和θc为系统预设值(预设范围为R≤S，θc≤90°)；
(c7)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gj；
(c8)判断是否(Xj,Yj)的任意位置处存在Gj>Gg，如果是，则更新(Xg,Yg)坐标位置为(Xj,Yj)，返回步骤(c2)；反之，则进入下一步；
(c9)判断j≥360/θc是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则令i＝i+1，j＝j+1，返回步骤(c6)；
(c10)确认位置(Xg,Yg)为所搜寻的气源点；
(c11)返回主程序；
(9)机器人移动平台移动至气源点极近位置(即检测到的气体浓度值达到最高值的位置，或者是机器人移动平台被障碍物阻挡了不能进一步靠近的位置)处后绕点O水平旋转和垂直旋转传感器阵列模块的平板，检测所处位置三维空间内的气体浓度梯度方向(传感器阵列模块的平板发生水平旋转和垂直旋转后，能够实现球面内任意位置的气体浓度检测，从而可以知道气体源的三维空间方位)，并报送气体源的三维位置信息；
(10)判断是否接收到结束任务指令，如果是，则结束；反之，则返回步骤(3)。
上述气体源定位装置的工作过程如下：
系统上电初始化后，通过接入的传感器类型确定工作模式，在所监控区域内随机移动，同时通过传动机构模块随机调整传感器阵列模块的方位，实时监测所处位置的待测气体浓度，根据不同的工作模式，设备采取不同的应对程序流程：
(1)若设备处于工作模式一，则检测所有传感器的实时数据，当其中任意一颗传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值Gx0(x＝1,2,……,m分别对应于不同的气体)时，通过人机交互模块发出提示警报，并开始进行气体源的探测与自动搜寻任务；
(2)若设备处于工作模式二，则顺序检测所有传感器的实时数据，当有传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值Gx0(x＝1，2，……，m分别对应于不同的气体)时，比较所有超过预设安全阈值的气体的优先级，通过人机交互模块发出提示警报，并首先选择优先级高的气体，通过自动搜寻算法进行气体源的自动搜寻任务。

Claims (8)

1.一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；
主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接；传感器阵列模块与传动机构模块连接；
传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；电路接口为绕点O圆周均匀分布在所述平板上的插槽或插孔；所述插槽或插孔连接同种或异种型号气体传感器，同种型号气体传感器的数量大于等于1，且当其大于1时沿圆周均匀排列；
气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；
传动机构模块用于在主控器的控制下绕点O水平旋转和垂直旋转传感器阵列模块的平板；
机器人移动平台用于在主控器的控制下带动装置整体沿地面移动；
人机交互模块用于设定系统参数以及在主控器的控制下呈现提示信息；
主控器用于采用自动搜寻算法进行气体源的自动搜寻任务；自动搜寻算法的主流程如下：
(1)开始；
(2)系统初始化；
(3)调整传感器阵列模块的平板使其与地面平行，控制机器人移动平台在所监控区域内随机移动，检测所有气体传感器的实时数据；
(4)判断是否存在气体传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值，如果是，则通过人机交互模块发出提示警报后进入下一步；反之，则返回步骤(3)；
(5)判断超过预设的安全阈值的气体是否仅一种，如果是，则直接将其作为目标气体，进入下一步；反之，则比较所有超过预设的安全阈值的气体的优先级，将优先级最高的气体作为目标气体后，进入下一步；
(6)通过变角度追踪算法搜寻并逐步靠近气源点；
(7)通过气体源位置锁定算法锁定气源点的位置；
(8)通过疑似气源点剔除算法搜寻气源点；
(9)机器人移动平台移动至气源点极近位置处后绕点O水平旋转和垂直旋转传感器阵列模块的平板，检测所处位置三维空间内的气体浓度梯度方向，并报送气体源的三维位置信息；
(10)判断是否接收到结束任务指令，如果是，则结束；反之，则返回步骤(3)；
变角度追踪算法的流程如下：
(a1)进入子程序；
(a2)令i＝0；
(a3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，v为目标气体对应的气体传感器的个数，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，确定检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a4)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a5)驱动机器人移动平台沿着θi方向前行前进距离S；
(a6)令i＝i+1；
(a7)更新传感器Sx在当前位置处检测到的气体浓度Gi；
(a8)判断Gi＜Gi-1是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则继续驱动机器人移动平台沿着θi-1方向前行距离S后，返回步骤(a7)；
(a9)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，更新当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(a10)以起点为点O且过Sx的射线方向为气体浓度梯度方向θi；
(a11)判断Gi＞Gt是否成立，或者是否遇到障碍物，如果是，则返回方向值θi，返回主程序；反之，则沿θi方向前进距离S后，返回步骤(a6)；
气体源位置锁定算法的流程如下：
(b1)进入子程序；
(b2)在当前位置以变角度追踪算法返回的方向值θi为x轴正方向，建立y轴平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；
(b3)驱动机器人移动平台沿y轴方向前行距离S；
(b4)令i＝i+1；
(b5)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gi，更新检测到Gi值的传感器编号Sx，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器Sx停止在检测到Gi值的位置处；
(b6)计算当前位置气体浓度梯度方向变化值θr；
(b7)通过几何运算计算确定气源点位置坐标(Xg,Yg)，其位置坐标计算公式如下：
Xg＝S×tan(90°-θr)；
Yg＝0；
(b8)返回主程序；
疑似气源点剔除算法的流程如下：
(c1)进入子程序；
(c2)驱动机器人移动平台行进至(Xg,Yg)位置极近处；
(c3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gg；
(c4)以(Xg,Yg)为原点，建立x轴与y轴都平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；
(c5)令j＝0；
(c6)驱动定位装置移动到位置(Xj,Yj)处，(Xj,Yj)位置坐标按照如下公式计算：
Xj＝Xg+R×cos(j×θc)；
Yj＝Yg+R×sin(j×θc)；
其中，R和θc为系统预设值；
(c7)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值Gj；
(c8)判断是否(Xj,Yj)的任意位置处存在Gj>Gg，如果是，则更新(Xg,Yg)坐标位置为(Xj,Yj)，返回步骤(c2)；反之，则进入下一步；
(c9)判断j≥360/θc是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则令j＝j+1，返回步骤(c6)；
(c10)确认位置(Xg,Yg)为所搜寻的气源点；
(c11)返回主程序。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，还包括电源模块；电源模块分别与主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块、机器人移动平台和人机交互模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，主控制器为MCU、MPU、DSP或FPGA。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，人机交互模块包括按键或触摸屏、扬声器、显示屏和电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，同种型号气体传感器的数量大于等于4。
6.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，平板为圆板；圆板的中心与点O重合。
7.根据权利要求6所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，传动机构模块包括水平轴、竖直轴、C形件、第一驱动机构和第二驱动机构；水平轴穿过圆板的周面将其等分为两半；水平轴与C形件连接成“D”形结构，竖直轴与C形件连接成“Y”形结构；第一驱动机构用于驱动水平轴转动，进而带动圆板作垂直旋转运动；第二驱动机构用于驱动竖直轴旋转，进而带动圆板作水平旋转运动；垂直旋转和水平旋转的中心为圆板的中心。
8.根据权利要求1所述的一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，所有超过预设的安全阈值的气体的优先级根据浓度或危害风险性确定，浓度或危害风险性越高，优先级越高。
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