CN113722923A - 一种基于改进rrt的多无人机气体泄漏源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，涉及气体泄漏源定位方法和计算机领域。本发明提出将RRT算法用于气体泄漏源定位，将监测的浓度作为RRT父节点选取的依据，利用RRT原有的建模时间短和参数少等优点，灵活快速地寻找到气体泄漏源。改进的RRT算法加入变步长公式，既减小陷入局部最优的可能性，又改进RRT算法原本搜索效率受步长初始值限制的缺点。通过计算机仿真验证了本算法具有取点随机灵活、陷入局部最优可能性小、搜索效率高、多无人机收敛快速的优点。
Description
技术领域
本发明涉及溯源算法和计算机领域，特别涉及一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法。
背景技术
随着我国的经济飞速发展，大量环境问题陆续涌现，其中包括人类生产生活导致的大气污染。根据钟南山博士在《柳叶刀》期刊中发表的《行动刻不容缓：中国空气污染对慢性呼吸道疾病的影响》，空气污染会引发人们的呼吸道疾病，如慢性支气管炎、哮喘和肺癌等，而且大气污染物对母体的保留可以影响婴儿今后的肺功能并增长其哮喘发病风险，所以大气污染的严峻形势对各级政府的应急响应和应急处置能力提出了新的要求。精准和快速地确定污染源的位置，对实现大气污染的靶向治理和制定有效的应急处置方案具有重要意义。
无人机在机动性和便携性方面，远远优于传统的固定监测站和观测气球等监测手段。目前的研究集中在应用搭载传感器的无人机进行大气环境监测和样本采集等活动，进而分析污染物的时空变化规律，鲜见将无人机技术用于大气污染的主动溯源。无人机具有低成本、高灵活性和易部署等优点,更有利于对大气污染源进行主动追踪和溯源。
溯源的实现依靠高级语言编制出的算法，目前不同的研究人员提出了不同的算法可以快速、准确地寻找到污染源，如模拟退火算法、粒子群优化算法和蚁群算法等，但存在运行速度慢、容易陷入局部最优等问题，需要进一步进行改进。
快速扩展随机树(Rapidly-Exploring Random Tree，RRT)算法在路径规划中已被成功应用，具有建模时间短、搜索能力强和参数少等优点，但具有搜索效率受步长初始值限制的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明基于RRT算法，结合了大气监测等具体问题，在易陷入局部最优、不能改变步长等方面进行了改进。提供了如下技术方案：一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，包括如下步骤：
步骤1：设置初始参数，包括初始步长step、步长最小阈值Thr、变步长记数参数p和无人机数量num。
步骤2：设置num台无人机初始坐标及初始父节点，初始父节点无意义。
步骤3：读取num台无人机初始浓度，进行比较。
步骤4：经比较得到最高点序号，依据最高点序号判断最高浓度点是否是当前父节点。为防止陷入局部最优或因步长过大导致搜索效率降低，加入改变步长λ的过程。
步骤4.1：所述步骤4中，若最高浓度点是当前父节点，变步长记数参数p加1。为防止陷入局部最优，先扩大步长，再逐渐缩小步长。
步骤4.1.1：前s次，扩大步长，扩大公式为：
λ＝step*log2(p+2)
其中p是变步长记数参数，step是初始步长，λ是改变后的步长。
步骤4.1.2：在s次步长扩大的基础上，λ根据初始步长改变，逐渐缩小，其计算公式为：
其中p是变步长记数参数，s是扩大步长的次数，step是初始步长，λ是改变后的步长。
步骤4.2：所述步骤4中，若最高浓度点不是当前父节点，λ等于初始步长step，且变步长记数参数p清零。
步骤5：判断λ是否小于阈值Thr：若λ小于阈值Thr，跳出循环；若λ大于阈值Thr，继续循环。
步骤6：将最高浓度点记为本次父节点。
步骤7：num台无人机扩散取得新位置，其中扩散公式为：
其中，(x1,y1)为地图中随机采样的点，(x2,y2)为原本的无人机坐标，λ为经步骤4判断后的值，(x3,y3)为无人机的新坐标点。
步骤8：读取num台无人机的新浓度，与父节点浓度进行比较，返回步骤4。
附图说明
图1为本发明算法流程图。
图2为本实施例中，随着变步长记数参数的变化，步长的变化示意图。
图3为本实施例在高斯浓度场中的仿真路径图。
图4为算法原固定步长与改进后可变步长的比较。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体的实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，其流程图如图一所示，具体步骤如下：；
步骤1：设置初始参数，包括初始步长step、步长最小阈值Thr、变步长记数参数p和无人机数量num。
本实施例中，设置扩散初始半径5、步长最小阈值0.01、变步长记数参数初始值为0和无人机数量4。
步骤2：设置num台无人机初始坐标及初始父节点，初始父节点无意义。
本实施例中，设置4台无人机初始坐标为U1＝(30,30),U2＝(10,20),U3＝(90,30),U4＝(49,-40)，初始父节点(150,50)。
步骤3：读取num台无人机初始浓度，进行比较。
本实施例中，读取4台无人机初始浓度进行比较。
步骤4：经比较得到最高点序号，依据最高点序号判断最高浓度点是否是当前父节点。为防止陷入局部最优或因步长过大导致搜索效率降低，加入改变步长λ的过程。
步骤4.1：所述步骤4中，若最高浓度点是当前父节点，变步长记数参数p加1，为防止陷入局部最优，先扩大步长，再逐渐缩小步长。
步骤4.1.1：前s次，扩大步长，扩大公式为：
λ＝step*log2(p+2)
其中p是变步长记数参数，step是初始步长，λ是改变后的步长。
步骤4.1.2：在s次步长扩大的基础上，λ根据初始步长进行变步长，逐渐缩小，其计算公式为：
其中p为变步长记数参数，s为扩大步长的次数，step为初始步长，λ是改变后的步长。
本实施例中，初始步长为5，扩大步长的次数设置为3。
λ＝5*log2(p+2)
其中p是变步长记数参数，λ是改变后的步长。
缩小步长的计算公式为：
其中p是变步长记数参数，λ是改变后的步长。
步骤4.2：所述步骤4中，若最高浓度点不是当前父节点，λ等于初始步长step，且变步长记数参数p清零。
本实施例中，扩大步长次数设置为3，浓度最高点为U3，不是父节点，故λ＝step＝5，p＝0。
步骤5：判断λ是否小于阈值Thr：若λ小于阈值Thr，跳出循环；若λ大于阈值Thr，继续循环。
本实施例中，λ大于阈值0.01，继续循环。
步骤6：将最高浓度点记为本次父节点。
本实施例中，新父节点坐标为(90,30)。
步骤7：num台无人机扩散取得新位置，其中扩散公式为：
其中，(x1,y1)为地图中随机采样的点，(x2,y2)为原本的无人机坐标，λ为经步骤4判断后的值，(x3,y3)为无人机的新坐标点。
本实施例中，经过扩散的无人机新坐标为U1＝(86.4459,26.4831),U2＝(88.7537,25.1578),U3＝(26.9795,26.9795),U4＝(85.9045,27.1318)。
步骤8：读取num台无人机的新浓度，与父节点浓度进行比较，返回步骤4。
本实施例中，读取4台无人机的新浓度，与父节点浓度进行比较，返回步骤4。
Claims (5)
1.一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：设置初始参数，包括初始步长step、步长最小阈值Thr、变步长记数参数p，无人机数量num；
步骤2：设置num台无人机初始坐标及初始父节点，初始父节点无意义；
步骤3：读取num台无人机初始浓度，进行比较；
步骤4：经比较得到最高点序号，依据最高点序号判断最高浓度点是否是当前父节点，改变步长λ；
步骤5：判断λ是否小于阈值Thr：若λ小于阈值Thr，跳出循环；若λ大于阈值Thr，继续循环；
步骤6：将最高浓度点记为本次父节点；
步骤7：num台无人机扩散取得新位置；
步骤8：读取num台无人机的新浓度，与父节点浓度进行比较，返回步骤4。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，其特征在于所述步骤4，根据当前最高浓度点变化改变步长。
3.进一步地，所述步骤4改变步长的方式为：若最高浓度点是当前父节点，变步长记数参数p加1，先扩大步长，再逐渐缩小步长；若最高浓度点不是当前父节点，λ等于初始步长step，且变步长记数参数p清零。
4.进一步地，所述步骤4的变步长公式为：
(1)前s次，扩大步长，扩大公式为：
λ＝step*log2(p+2)
其中p为变步长记数参数，step为初始步长，λ为改变后的步长；
(2)在s次步长扩大的基础上，λ根据初始步长进行变步长，逐渐缩小，其计算公式为：
其中p为变步长记数参数，s为扩大步长的次数，step为初始步长，λ为改变后的步长。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进RRT的多无人机气体泄漏源定位方法，其特征在于所述步骤7，其中扩散公式为：
其中，(x1,y1)为地图中随机采样的点，(x2,y2)为更新前无人机坐标，λ为经步骤4判断后的新步长，(x3,y3)为更新后无人机坐标。
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| 郑锐;冯振明;陆明泉: "基于遗传算法的无人机航路规划优化研究", 计算机仿真, vol. 28, no. 6 * |
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