CN114934489B - 一种多智能体分布式海洋油污清扫方法 - Google Patents

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CN114934489B CN202210471038.1A CN202210471038A CN114934489B CN 114934489 B CN114934489 B CN 114934489B CN 202210471038 A CN202210471038 A CN 202210471038A CN 114934489 B CN114934489 B CN 114934489B
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    • Y02A20/204—Keeping clear the surface of open water from oil spills

Abstract

本发明涉及智能清扫技术领域，具体涉及一种多智能体分布式海洋油污清扫方法。该多智能体分布式海洋油污清扫方法包括以下步骤：在油污区域内放置设定个数的清扫智能体，并确定清扫智能体的初始位置；根据各个清扫智能体的位置，确定相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线；根据相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线和油污边界，确定各个子清扫区域的范围；每个清扫智能体在各自的子清扫区域内构建虚拟温度场；清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟温度梯度在子清扫区域中移动，同时对路径上的工作点进行清扫，直至完成各个子清扫区域的清扫。能够解决现有技术中只能解决凸区域的覆盖任务，难以解决非凸区域的清扫任务，以及效率低的问题。

Description

一种多智能体分布式海洋油污清扫方法
技术领域
本发明涉及智能清扫技术领域，具体涉及一种多智能体分布式海 洋油污清扫方法。
背景技术
现如今，随着通讯以及电子电力技术的发展，多智能体系统被广 泛应用于各个领域，包括巡航，搜索，营救等工作。针对多智能体的 合作是研究热点，其中针对区域的高效率覆盖由于环境的复杂性与未 知性仍是待解决问题。
覆盖控制的典型应用是针对区域的清扫工作，在解决海面油污的 清理任务中，现有的清扫控制算法往往只能解决凸区域的覆盖问题， 而日常的应用场景可能存在非凸区域的清扫任务，对现有算法无疑是 一种挑战。同时基于集中式的清扫方法存在效率低的缺点，且在智能 体出现故障时具有系统瘫痪的风险。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多智能 体分布式海洋油污清扫方法，能够解决现有技术中只能解决凸区域的 覆盖任务，难以解决非凸区域的清扫任务，以及效率低的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种多智能体分布式海洋油污清扫方法，包括以下步 骤：
在油污区域内放置设定个数的清扫智能体，并确定清扫智能体的 初始位置；
根据各个清扫智能体的位置，确定相邻清扫智能体负责子清扫区 域的交界线；
根据相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线和油污边界，确定 各个子清扫区域的范围；
每个清扫智能体在各自的子清扫区域内构建虚拟温度场；
清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟温度梯度在子清扫区域中移 动，同时对路径上的工作点进行清扫，直至完成各个子清扫区域的清 扫。
在一些可选的方案中，在油污区域内放置设定个数的清扫智能体 时，将所有的清扫智能体大致均匀地放置在油污区域内，且任两个清 扫智能体之间的间距大于第一设定距离，油污区域边缘距离最近清扫 智能体的间距小于第二设定距离，任两个清扫智能体之间能够直接建 立通讯或者通过其余的一个或者多个清扫智能体中继建立通讯。
在一些可选的方案中，所述的根据各个清扫智能体的位置，确定 相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线，包括：
分别以各个清扫智能体为其对应负责子清扫区域的子区域责任 智能体，作子区域责任智能体与其余清扫智能体连线的垂直平分线；
以距离子区域责任智能体最近的垂直平分线作为与相邻清扫智 能体负责子清扫区域的交界线。
在一些可选的方案中，所述的根据相邻清扫智能体负责子清扫区 域的交界线和油污边界，确定各个子清扫区域的范围，包括：
清扫智能体沿相邻子清扫区域的交界线移动，并开启油污检测装 置检测油污边界；
清扫智能体环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界后，得到子 清扫区域的范围。
在一些可选的方案中，所述的每个清扫智能体在各自的子清扫区 域内构建虚拟温度场，包括：
清扫智能体在环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界时，记录 油污检测装置检测范围内的油污厚度以及与油污所在位置的对应关 系；
清扫智能体按照子清扫区域的边界形状逐渐向内移动直至回到 初始位置，得到子清扫区域的油污分布信息；
根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，得出在子清扫区域上 的虚拟温度场。
在一些可选的方案中，所述的根据子清扫区域的油污分布信息以 及边界，得出在子清扫区域上的虚拟温度场，包括：
根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，建立虚拟热传导方 程；
求解虚拟热传导方程，得到虚拟温度场。
在一些可选的方案中，所述虚拟热传导方程为：
Figure SMS_1
其中，α为热传导系数，Δ为拉普拉斯算子，i表示第i个子清扫 区域，Ti为虚拟温度场，αΔTi表示虚拟温度场中的热流，hi(x,t)为剩余 油污率函数，ci(x,t)为已清扫油污厚度函数，mi(x)为初始油污厚度函 数，t为当前时刻，x为二维平面坐标，
Figure SMS_2
表示油污清扫率。
在一些可选的方案中，所述的已清扫油污厚度函数，根据清扫智 能体的清扫能力确定，所述的已清扫油污厚度函数为
Figure SMS_3
其中，/>
Figure SMS_4
为清扫智能体 的清扫能力，Pi为最大清扫能力，λi衰减系数，d(x,li)表示平面一点 到第i和清扫智能体的欧式距离，r为清扫智能体的最大清扫范围， li＝(xi,yi)为第i和清扫智能体的二维平面坐标。
在一些可选的方案中，所述的清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟 温度梯度在子清扫区域中移动，同时对路径上的工作点进行清扫，直 至完成各个子清扫区域的清扫，包括：
清扫智能体根据虚拟温度场的温度梯度，保持速率大小不变，确 定清扫智能体移动的方向；
清扫智能体在子清扫区域中移动的同时对路径上的工作点进行 清扫，并更新油污厚度和虚拟温度场，直至完成各个子清扫区域的清 扫。
在一些可选的方案中，根据
Figure SMS_5
确定清扫智能体移动 的速率和方向，其中，/>
Figure SMS_6
为梯度算子，Vi为清扫智能体的移动速率， Ti为虚拟温度场，Ti(li(t),t)为当前t时刻清扫智能体的位置和虚拟温 度，li(t)表示当前t时刻清扫智能体的位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本方案采用分割的方法使 得系统能够分布式得进行工作，相对独立的工作区域能够防止清扫智 能体碰撞的发生，同时分布式的控制方法在智能体出现故障或者系统 扰动时保证一定的鲁棒性。通过将原先的油污厚度分布转化为虚拟温 度场，将原先可能不连续的分布函数转化为连续的虚拟温度分布，从 而使得清扫智能体在子清扫区域内的任意一点均有虚拟温度梯度，从 而可以跟随虚拟温度梯度到达区域内任意一点，不再受到区域边界凸 或非凸的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中多智能体分布式海洋油污清扫方法的流 程图；
图2为本发明实施例中将多个清扫智能体放置至油污区域内的 示意图；
图3为本发明实施例中划分子清扫区域交界线的示意图；
图4为本发明实施例中将油污区域分割成子清扫区域的示意图；
图5为本发明实施例中清扫智能体的运动轨迹图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种多智能体分布式海洋油污清扫方 法，包括以下步骤：
S1：在油污区域内放置设定个数的清扫智能体，并确定清扫智能 体的初始位置。
如图2所示，在一些可选的实施例中，在油污区域内放置设定个 数的清扫智能体时，将所有的清扫智能体大致均匀地放置在油污区域 内，且任两个清扫智能体之间的间距大于第一设定距离，油污区域边 缘距离最近清扫智能体的间距小于第二设定距离，任两个清扫智能体之间能够直接建立通讯或者通过其余的一个或者多个清扫智能体中 继建立通讯。
本例中，设定个数的清扫智能体可随机的放置在油污区域内，只 要记录清扫智能体在油污区域内的位置即可。本例中，若现有存在油 污的海水区域D作为将要完成清扫工作的油污区域，使用N个清扫智 能体进行清理且智能体事先并不知晓油污区域的边界，用户将清扫智能体放置在工作区域内，其中对于清扫智能体i,i∈{1,2,3,...,N}，其在 二维平面的坐标为li＝(xi,yi)。第一设定距离和第二设定距离根据具体 环境情况和设备工作能力确定。
如图3所示，S2：根据各个清扫智能体的位置，确定相邻清扫智 能体负责子清扫区域的交界线。
在一些可选的实施例中，步骤S2具体包括：
S21：分别以各个清扫智能体为其对应负责子清扫区域的子区域 责任智能体，作子区域责任智能体与其余清扫智能体连线的垂直平分 线。
在本例中，由于任两个清扫智能体之间能够直接建立通讯或者通 过其余的一个或者多个清扫智能体中继建立通讯，从而通过通信技 术，对于任一清扫智能体可以通过信息传递交流的方式获取其余清扫 智能体的位置信息。则可以利用其余智能体的位置信息，得出当前所 在位置与其余任一清扫智能体所构成线段的中垂线(垂直平分线)， 即N-1条直线，N为清扫智能体个数。
S22：以距离子区域责任智能体最近的垂直平分线作为与相邻清 扫智能体负责子清扫区域的交界线。
本例中，子区域责任智能体为其对应负责子清扫区域的清扫智能 体，划分出了相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线，即子清扫区 域的虚拟边界，由此完成对于油污区域的分割，得出子清扫区域Di， 效果如图4所示。
Di＝{x∈D|d(x,li)≤d(x,lj),j∈{1,2,3,...,N},i≠j}
由此可以实现，子清扫区域Di内的任一点离子清扫区域Di内的清扫智 能体(子区域责任智能体)i最近，x为子清扫区域Di中任一一点的 坐标，d(x,li)为区域中点到清扫智能体的欧式距离。
S3：根据相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线和油污边界， 确定各个子清扫区域的范围。
S31：在一些可选的实施例中，清扫智能体沿相邻子清扫区域的 交界线移动，并开启油污检测装置检测油污边界。
S32：清扫智能体环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界后， 得到子清扫区域的范围。
在本实施例中，每个子清扫区域Di内的清扫智能体i朝分割生成 的任意一条子清扫区域的交界线移动，直至移动至子清扫区域的交界 线。随后沿子清扫区域的交界线动并开启油污检测装置检测油污边 界，通过该方式直至移动至整个油污区域的区域边界，出现存在油污 和不存在油污的分界线处，环绕边界线得出该清扫智能体所负责子清 扫区域的边界线，清扫智能体环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界先后，得到子清扫区域的范围，这种方式能够保证清扫智能体记录 其所属子清扫区域的边界信息和范围。
通过以上方法，清扫智能体在事先不清楚工作区域(油污区域) 以及工作任务(油污厚度与位置为对应关系)的前提下，面对油污区 域环境的不确定性采用采用上述方法分割以及边界检测的方法获取 子清扫区域的信息。上述分割方法保证子区域内任意一点到其所负责 清扫智能体的距离均小于到其余清扫智能体的距离，减少了清扫智能 体总共的运动路径，缩短工作时间。除此之外，分割区域的方式使得清扫智能体只需要关注各自负责自己对应子清扫区域的工作任务，区 域间无重叠区域，避免了清扫智能体在工作过程中碰撞的可能性，同 时形成了一种分布式的多清扫智能体系统，系统具有更强的鲁棒性。
S4：每个清扫智能体在各自的子清扫区域内构建虚拟温度场。
在一些可选的实施例中，步骤S4包括：
S41：清扫智能体在环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界时， 记录油污检测装置检测范围内的油污厚度以及油污所在位置的对应 关系。
S42：清扫智能体按照子清扫区域的边界形状逐渐向内移动直至 回到初始位置，得到子清扫区域的油污分布信息。
本例中，子清扫区域的油污分布信息包括区域某点油污的厚度以 及与某点坐标位置之间的对应关系。
S43：根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，得出在子清扫 区域上的虚拟温度场。
在一些可选的实施例中，步骤S43包括：
S431：根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，建立虚拟热传 导方程。
本例中，虚拟热传导方程为：
Figure SMS_7
其中，α为热传导系数，Δ为拉普拉斯算子，i表示第i个子清扫 区域，Ti为虚拟温度场，αΔTi表示虚拟温度场中的热流，hi(x,t)为剩余 油污率函数，ci(x,t)为已清扫油污厚度函数，mi(x)为初始油污厚度函 数，t为当前时刻，x为二维平面坐标，
Figure SMS_8
表示油污清扫率。
α为热传导系数，参数越大表示虚拟温度场中热量流动越多，虚 拟温度场能够较快稳定，对于清扫智能体而言，清扫智能体所在温度 梯度越大，有更大可能性移动到高温度区域。hi(x,t)由区域的清扫率 来进行表示，始终为0-1的值，当值为1时表示对于点x清扫智能体 尚未进行清理，当值为0时，清扫智能体已经完成了对区域中点x的 清扫工作。
当清扫智能体未对区域某点清扫时，该点始终充当热源用于形成 温度梯度引导清扫智能体前来清扫。βTi表征整个区域的降温，整个 虚拟温度场将在最终趋于0度，即工作量全部完成。
S432：求解虚拟热传导方程，得到虚拟温度场。
在求解虚拟热传导方程
Figure SMS_9
时，另边界条件需要满足/>
Figure SMS_10
Figure SMS_11
为边界法向量。
已清扫油污厚度函数，根据清扫智能体的清扫能力确定，已清扫 油污厚度函数为
Figure SMS_12
其中，/>
Figure SMS_13
为清扫智能体的清扫能力，Pi为最大清扫 能力，λi衰减系数，d(x,li)表示平面一点到第i和清扫智能体的欧式 距离，r为清扫智能体的最大清扫范围，li＝(xi,yi)为第i和清扫智能 体的二维平面坐标。
本例中，通过将原先的油污厚度分布转化为虚拟温度场，将原先 可能不连续的分布函数转化为连续的虚拟温度分布，从而使得清扫智 能体在子清扫区域内的任意一点均有虚拟温度梯度，从而可以跟随虚 拟温度梯度到达区域内任意一点，不再受到区域边界凸或非凸的限 制。
S5：清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟温度梯度在虚拟温度场移 动，同时对路径上的工作点进行清扫，直至完成各个子清扫区域的清 扫。
在一些可选的实施例中，步骤S5包括：
S51：清扫智能体根据虚拟温度场的温度梯度，保持速率大小不 变，确定清扫智能体移动的方向。
根据
Figure SMS_14
确定清扫智能体移动的速率和方向，其中，/>
Figure SMS_15
为梯度算子，Vi为清扫智能体的移动速率，Ti为虚拟温度场，Ti(li(t),t) 为当前t时刻清扫智能体的位置和虚拟温度，li(t)表示当前t时刻清扫 智能体的位置。
S52：清扫智能体在子清扫区域中移动的同时对路径上的工作点 进行清扫，并更新油污厚度和虚拟温度场，直至完成各个子清扫区域 的清扫。
在虚拟温度场Ti中，要求虚拟温度较高处对应油污厚度较大处， 我们希望清扫智能体总是能够朝向油污厚度大的位置移动，用于更快 得完成清扫任务，因此，这一目标在虚拟温度场中表现为清扫智能体 朝向虚拟温度高的区域运动，即与虚拟热流相反方向运动。
在本实施例中，各个智能体根据偏微分方程求解得出Ti，各个清 扫智能体的速率为恒定速率，速度方向由所在点的虚拟温度场的温度 梯度决定，即智能体始终向温度场中温度较高的点进行移动。在移动 的同时，智能体实时进行清扫任务，并更新所清扫区域的剩余油污厚 度。
当智能体处于清扫状态时，清扫智能体实时更新虚拟温度场并使 用虚拟温度场温度梯度确定运动方向，保持一定速率，不同方向进行 运动，运动的同时还要对所经过区域进行清扫，更新区域的油污厚度， 即循环往复直至子清扫区域工作任务清理完毕，清理轨迹如图5所示，如图中方形为清扫智能体的起始点，五角星为清扫智能体的最终 点。
综上所述，本方案本发明利用两个清扫智能体连线线段的中垂 线，作为相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线，可以保证清扫智 能体到自身子清扫区域内任意一点的花费时间最短，同时分割的方法 使得系统能够分布式得进行工作，相对独立的工作区域能够防止清扫 智能体碰撞的发生，同时分布式的控制方法在智能体出现故障或者系统扰动时保证一定的鲁棒性。
完成分割后，针对各个子清扫区域，根据子清扫区域的工作量分 布构建相应的静态虚拟温度场分布，其中存在工作量的位置可以视为 温度场的热源，而清扫智能体则可以视作冷源，根据傅里叶定理，温 度场的温度分布可以给清扫智能体提供运动方向用于将温度场中温 度较高及工作量大的区域进行降温(清扫)。这种方法可以将原本存 在数值非连续或者是非凸的区域转化为连续数值的温度场分布，防止智能体随梯度运动陷入局部最优解，同时完成整个区域的覆盖任务。 除了海面油污的清扫外，本发明还可以应用于消防灭火，室内垃圾清 理等领域。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系 术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而 不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系 或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者 是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更 多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理 解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说 将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精 神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限 制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，包括以下步骤：
在油污区域内放置设定个数的清扫智能体，并确定清扫智能体的初始位置；
根据各个清扫智能体的位置，确定相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线；
根据相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线和油污边界，确定各个子清扫区域的范围；
每个清扫智能体在各自的子清扫区域内构建虚拟温度场，包括：根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，建立虚拟热传导方程；所述虚拟热传导方程为：
Figure FDA0004066931520000011
其中，α为热传导系数，Δ为拉普拉斯算子，i表示第i个子清扫区域，Ti为虚拟温度场，αΔTi表示虚拟温度场中的热流，hi(x,t)为剩余油污率函数，ci(x,t)为已清扫油污厚度函数，mi(x)为初始油污厚度函数，t为当前时刻，x为二维平面坐标，
Figure FDA0004066931520000012
表示油污清扫率，βTi表征整个区域的降温；所述的已清扫油污厚度函数，根据清扫智能体的清扫能力确定，所述的已清扫油污厚度函数为/>
Figure FDA0004066931520000013
其中，/>
Figure FDA0004066931520000014
为清扫智能体的清扫能力，Pi为最大清扫能力，λi衰减系数，d(x,li)表示平面一点到第i和清扫智能体的欧式距离，r为清扫智能体的最大清扫范围，li＝(xi,yi)为第i和清扫智能体的二维平面坐标；
求解虚拟热传导方程，得到虚拟温度场；
清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟温度梯度在子清扫区域中移动，同时对路径上的工作点进行清扫，直至完成各个子清扫区域的清扫。
2.如权利要求1所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，在油污区域内放置设定个数的清扫智能体时，将所有的清扫智能体均匀地放置在油污区域内，且任两个清扫智能体之间的间距大于第一设定距离，油污区域边缘距离最近清扫智能体的间距小于第二设定距离，任两个清扫智能体之间能够直接建立通讯或者通过其余的一个或者多个清扫智能体中继建立通讯。
3.如权利要求1所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，所述的根据各个清扫智能体的位置，确定相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线，包括：
分别以各个清扫智能体为其对应负责子清扫区域的子区域责任智能体，作子区域责任智能体与其余清扫智能体连线的垂直平分线；
以距离子区域责任智能体最近的垂直平分线作为与相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线。
4.如权利要求1所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，所述的根据相邻清扫智能体负责子清扫区域的交界线和油污边界，确定各个子清扫区域的范围，包括：
清扫智能体沿相邻子清扫区域的交界线移动，并开启油污检测装置检测油污边界；
清扫智能体环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界后，得到子清扫区域的范围。
5.如权利要求4所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，所述的每个清扫智能体在各自的子清扫区域内构建虚拟温度场，包括：
清扫智能体在环绕相邻子清扫区域的交界线和油污边界时，记录油污检测装置检测范围内的油污厚度以及与油污所在位置的对应关系；
清扫智能体按照子清扫区域的边界形状逐渐向内移动直至回到初始位置，得到子清扫区域的油污分布信息；
根据子清扫区域的油污分布信息以及边界，得出在子清扫区域上的虚拟温度场。
6.如权利要求1所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，所述的清扫智能体根据虚拟温度场的虚拟温度梯度在子清扫区域中移动，同时对路径上的工作点进行清扫，直至完成各个子清扫区域的清扫，包括：
清扫智能体根据虚拟温度场的温度梯度，保持速率大小不变，确定清扫智能体移动的方向；
清扫智能体在子清扫区域中移动的同时对路径上的工作点进行清扫，并更新油污厚度和虚拟温度场，直至完成各个子清扫区域的清扫。
7.如权利要求6所述的多智能体分布式海洋油污清扫方法，其特征在于，根据
Figure FDA0004066931520000031
确定清扫智能体移动的速率和方向，其中，/>
Figure FDA0004066931520000032
为梯度算子，Vi为清扫智能体的移动速率，Ti为虚拟温度场，Ti(li(t),t)为当前t时刻清扫智能体的位置和虚拟温度，li(t)表示当前t时刻清扫智能体的位置。/>
CN202210471038.1A 2022-04-28 2022-04-28 一种多智能体分布式海洋油污清扫方法 Active CN114934489B (zh)

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