專利名稱：基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人依靠主動嗅覺搜索目標的六邊形路徑技術領域，具體 涉及了一種基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法及其應用。
機器人依靠主動嗅覺搜索目標的研究在近幾年得到迅速發(fā)展。利用移動 機器人搜索有毒有害的氣味源，在救災、搶險乃至反恐、安全等領域有著廣 闊的應用前景。Holland和Melhuish于1996年在Cambridge: MIT Press 雜志提出了機器人模仿真蝸蟲行為的Z形路徑跟蹤策略。接著，Lilienthal 在2003年Proceedings of American Mathematical Society雜志根據(jù)雄蛾尋 覓雌蛾的行為，提出發(fā)散正弦波接圓周路徑的發(fā)現(xiàn)和跟蹤策略。這兩種策略 的機器人跟蹤效率不髙，鑒于此Russell又提出六邊形路徑跟蹤策略，彌補 了前兩種策略的缺陷，并用之進行了地下氣味源跟蹤試驗。Russell在 RoboMole項目中的基于單個嗅覺傳感器的機器人六邊形路徑氣味跟蹤方法 以及實測數(shù)據(jù)為根據(jù)，以計算機仿真為手段，分析該方法的性能，進一步改 進并完善其方法做必要的前期工作。
如圖l，根據(jù)土壤中氣味源自由擴散運動遵循的菲克第二定律，可推得 地表土中氣味濃度分布D(x，t)為
式(IV)中，erfc()是余誤差函數(shù)，Do是氣味源濃度，U是擴散常數(shù)，x 為測點與氣味源地面垂直位置O的距離，t為時間。
如圖2，傳統(tǒng)六邊形路徑方法設機器人利用自身攜帶的傳感器探測地表 土中的氣味濃度，在地面按六邊形路徑跟蹤氣味，逐步走向氣味源濃度增大 方向。機器人在每個路徑點(六邊形頂點)根據(jù)前兩個路徑點所測濃度和前 一個路徑點的轉彎方向，決定按順時針轉60。或逆時針轉60。再走一步(六 邊形邊長)，直至機器人與氣味源地面垂直位置距離小于步長時停止。
通過計算機仿真按照現(xiàn)有技術的方法用其進行氣味源搜索，發(fā)現(xiàn)機器人
背景技術：
的跟蹤過程通常無限長，會在一個包含氣味源的大面積區(qū)域內(nèi)漫無目的徘 徊，或者停止在路途中，很少會進入定位階段。這一現(xiàn)象意味著現(xiàn)有技術中 六邊形現(xiàn)有技術方法只能完成氣味跟蹤任務，不具有可靠的氣味源定位功 能。換言之，彌補這些缺陷，找到包括可靠的氣味發(fā)現(xiàn)和起步、氣味跟蹤、 氣味源定位等功能的方法是本發(fā)明的由來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，該方法 解決了現(xiàn)有技術的搜索方法不能解決的氣味源定位問題，也改善了現(xiàn)有技術 的搜索方法的起步和氣味跟蹤問題。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供的技術方案如下
一種基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其特征在于所述方法包括 以下步驟
氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段，機器人利用氣味探測裝置檢測到所需搜索的氣 味；根據(jù)機器人檢測到的氣味在不同方向的氣味濃度差異初步判斷氣味源方 向；按照初步判斷的氣味源方向開始行走；
氣味跟蹤階段，根據(jù)機器人檢測到的氣味濃度變化情況和氣味濃度的復 歸程度，以動態(tài)改變的步長變化率，調(diào)整步長持續(xù)行走；
氣味源定位階段，機器人根據(jù)檢測到的氣味濃度的復歸程度和變化情 況，以固定步長變化率調(diào)整步長持續(xù)行走。
優(yōu)選的，所述氣味發(fā)現(xiàn)步驟中氣味探測裝置為氣體傳感器。
優(yōu)選的，所述的氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，機器人采用固定步長以六邊形 路徑模式行進。
優(yōu)選的，所述氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時以固定步長行進的步數(shù)為2~6。 優(yōu)選的，所述氣味跟蹤階段調(diào)整步長包括
機器人實測氣味濃度并根據(jù)氣味濃度的二階相對差分值判斷，機器人即 時調(diào)整步長以六邊形路徑模式跟蹤持續(xù)行走。
優(yōu)選的，所述氣味跟蹤階段按式(I)得到步長變化率k即時調(diào)整步長；
h"(")-,( ) (I);
5其中，D為路徑點的氣味濃度；n, n-l， n-2為剛完成的行進步序，k 大于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果增加，k小于0代表濃度在連續(xù)三步 內(nèi)的總效果減小，k等于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果不變；
在所述跟蹤階段內(nèi)持續(xù)行走時，其步長按式(II)計算并調(diào)整
w , +i=(l-A>Vi," (II); 其中，k為步長變化率，m^+!為第n+l步的步長；n, n-l為同上定義。 優(yōu)選的，所述氣味源定位階段時，機器人以固定步長變化率調(diào)整步長，
即
(l-fe) ,、
附,,,"+1=c (111);
其中，C為經(jīng)驗值，m^M為第n+l步的步長；n, n-l為剛完成的行 進步序，k,，為剛完成的步序為n時的步長變化率。
優(yōu)選的，所述方法中氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即
0.95D(")<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);
其中，D為路徑點的氣味濃度；n， n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次 滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段；否則繼續(xù)跟蹤行走。
優(yōu)選的，所述方法還包括氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段到氣味跟蹤階段、氣味跟 蹤階段到氣味源定位階段的判斷步驟，所述判斷步驟包括
氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，通過累計行走的步數(shù)判斷是否需轉入跟蹤階 段，當累計步數(shù)達到6時，則結束起步階段而進入跟蹤階段；
跟蹤階段時，通過測量并計算氣味復歸程度判斷是否需轉入定位階段， 所述的氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即
0.95D(n-6)<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);
其中，D為路徑點的氣味濃度；ii， n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次 滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段。
優(yōu)選的，所述方法中當機器人因其行走機構的阻尼而停止行進時，即視 為到達氣味源。
本發(fā)明人經(jīng)長期研究認為，若能夠使機器人在搜索過程中根據(jù)實測得到的即時氣味濃度變化，采取不同的變步長策略，跟蹤氣味源并最終圍繞氣味 源有意識地縮聚行走，直至自然停止在地下氣味源垂直上方的地面位置，則 這種方法具有氣味跟蹤和氣味源定位雙重功能。
本發(fā)明人研究現(xiàn)有技術中六邊形路徑搜索方法的結果，發(fā)現(xiàn)機器人在搜 索的全過程中，其行為有如下特點氣味發(fā)現(xiàn)起步階段，機器人是隨機選取 方向而起步的，并往往呈現(xiàn)"迂回"行為以找準氣味源的大致方向；途中階 段，機器人夾雜著"繞圈"行為，總體"蜿蜒曲折地"朝著氣味源大致方向 行進，時有"繞圈"現(xiàn)象；最后階段，機器人進行大范圍無目的"徘徊"。
顯然，起步階段的方向不應隨機選取，且"迂回"行為應盡快結束；途 中階段的"繞圈"和"蜿蜒曲折"既費時又耗能，需要予以消除；最后階段 的"徘徊"如果能轉變成"縮聚"，則可以呈現(xiàn)出定位功能。本發(fā)明提出基 于實測濃度值的變步長策略，可很好實現(xiàn)這些設想。
基于土壤中氣味的實際擴散情況和出于本發(fā)明想要達到的目的，根據(jù)機 器人實測的濃度值，選擇不同的步長調(diào)整策略，執(zhí)行以下步驟直至因行走機 構的阻尼而自然停止(l)選擇可能性最大的氣味源方向起步；(2)在起步 階段，保持初始步長不變，即采用固定步長；(3)在途中階段，根據(jù)即時濃 度的相對變化率和氣味的復歸程度來調(diào)整步長；(4)在最后階段，根據(jù)固定 步長變化率調(diào)整步長；(5)以調(diào)整后的步長前進一步。
本發(fā)明的技術方案中攜帶氣體傳感器的移動機器人通過探測地表土壤 中的氣味濃度來搜索土壤中氣味源的方法，對傳統(tǒng)六邊形方法予以改進，解 決了現(xiàn)有技術中六邊形方法在氣味源定位方面的不足；該改進方法相對于原 方法而言，既擴展了氣味發(fā)現(xiàn)功能，又改善了氣味跟蹤性能，還增加了氣味 源定位功能，即新方法具有較完整的氣味源搜索功能，在機器人氣味搜索定 位方面具有廣泛的應用前景。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述 圖1為現(xiàn)有技術中地表土壤中氣味擴散示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術中定步長搜索方法的流程圖； 圖3為本發(fā)明技術方案中機器人步長改變示意7圖4為本發(fā)明實施例中基于氣味實測的機器人氣味搜索方法的流程圖5為本發(fā)明應用例中機器人不同初始方向下的搜索路徑圖6為本發(fā)明應用例中最大噪聲下的搜索路徑圖7為本發(fā)明應用例中仿真試驗魯棒性分析圖8為本發(fā)明對比例中定步長搜索方法搜索路徑圖二例；
圖9為本發(fā)明對比例中變步長搜索方法搜索路徑圖10為現(xiàn)有技術與本發(fā)明的技術方案前100步機器人與氣味源的距離 變化比較。
具體實施例方式
為了更詳盡的表述上述發(fā)明的技術方案，以下本發(fā)明人列舉出具體的實 施例來說明技術效果；需要強調(diào)的是，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限 于限制本發(fā)明的范圍。
實施例
如圖3和圖4，該基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法按以下具體步 驟進行
1、 氣味發(fā)現(xiàn)階段，機器人利用氣體傳感器檢測到所需搜索的氣味；根 據(jù)機器人檢測到的氣味在不同前進方向氣味濃度差異初步判斷氣味源方向 并起步行走。
2、 起步階段，機器人在檢測氣味濃度的同時，以六邊形路徑模式進行 持續(xù)行走6步。
3、 氣味跟蹤階段，根據(jù)實測的氣味濃度和判斷氣味復歸程度調(diào)整步長， 以六邊形路徑模式進行持續(xù)行走。
4、 氣味源定位階段，機器人以固定步長變化率調(diào)整步長，以六邊形路 徑模式進行持續(xù)行走。
由于氣味的實際擴散情況具有接近于余誤差函數(shù)的規(guī)律，所以根據(jù)氣味 實測的機器人的調(diào)整步長策略包括
氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，機器人以固定步長并以六邊形路徑模式行進， 步數(shù)為6;
氣味跟蹤階段調(diào)整步長包括機器人實測氣味濃度并根據(jù)氣味濃度的二階相對差分值判斷，機器人即時調(diào)整步長以六邊形路徑模式跟蹤持續(xù)行走。
氣味跟蹤階段按式(I)得到步長變化率k;
2D("-1)
其中，D為路徑點的氣味濃度；ii， n-l， n-2為剛完成的行進步序，k大于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果增加，k小于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果減小，k等于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果不變；
在跟蹤階段內(nèi)持續(xù)行走時，其步長按式(n)計算并調(diào)整
附"'"+產(chǎn)(l-AVv^ (II):
其中，k為步長變化率，1^， +1為第n+l步的步長；n， n-l為同上定義。氣味源定位階段時，機器人按式(III)調(diào)整步長
—(I —'
附
-附 一,,， (III);
C
其中，C為經(jīng)驗值，m^+i為第n+l步的步長；n， n-l為剛完成的行進步序，k'，為剛完成的步序為n時的步長變化率。
優(yōu)選的，所述方法中氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即
0.95D(n-6)<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);
其中，D為路徑點的氣味濃度；n， n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段；否則繼續(xù)跟蹤行走。
當然，這其中包括氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段到氣味跟蹤階段、氣味跟蹤階段到氣味源定位階段的判斷步驟，其判斷步驟通過以下方法實現(xiàn)
氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，通過累計行走的步數(shù)判斷是否需轉入跟蹤階段，當累計數(shù)達到6時，則結束起步階段而進入跟蹤階段；
跟蹤階段時，通過測量并計算氣味復歸程度判斷是否需轉入定位階段，所述的氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即
0.95D(")<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);
其中，D為路徑點的氣味濃度；n, n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段。
9方法在實施中，當機器人的行走驅(qū)動力超過機器人行走機構阻尼時，機器人會按行進步長持續(xù)行進，否則停止即視為到達氣味源。即方法中當機器人因其行走機構的阻尼而停止行進時，即視為到達氣味源。
本發(fā)明的技術方案也可以通過輸入機器人中的計算機程序來控制實現(xiàn)，類似程序如下
repeatl() 〃起步階段
if(s<=6)mn,n+i=mn-i，n
repeat2() 〃跟蹤階段和定位階段{
if (0.95D(n-6)<=D(n)< =1.05D(n-6))then 1=1+1else 1=0
k=D(n)-D(n-2)]/[2D(n-l)
1Mn,n+i-(l-k)mn-j,n
if 1=3
then inn，n+產(chǎn)[(l-k)mnd，n/Celse mn,n+!-[(l-k)mn-!,nl
其中，s是步次，k為步長變化率，l為步數(shù)連續(xù)累計值，C是給定的經(jīng)驗值，mi，w為機器人第i步將用步長。
應用例
仿真方案在顯示屏象素平面中，給定氣味源位置和機器人初始位置，平面各象素處氣味濃度值按式(VI)及式(VII)得到，機器人按六邊形方法跟蹤氣味濃度增大的方向。
根據(jù)現(xiàn)有技術中Russell提供的距離和氣味濃度的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合得回歸方程:
Z)(x) = -0.0004x3 + 0.0034 — 0.0302;c + 4.9893 ± AD(x)
(VI);
其中AD(x)是概率密度p(AD，x)隨距離按高斯分布變化的隨機偏差項，其值由式(VI)取[a，b-
得出式(VII):
對上述方法進行仿真，并針對所得路徑分析其性能，每種分析均仿真80次。
A穩(wěn)定性分析
以三個不同初始方向開始搜索，均最終縮聚在氣味源處。圖5是其中隨取三例，圖中數(shù)值是路徑點處氣味濃度。從搜索路徑的起步階段和途中階段可見，變步長方法具有很好的全局和局部穩(wěn)定性。
B抗噪性分析
將式(VII)改為式(VIII),取濃度偏差為最大值，即施加最大的環(huán)境噪聲，搜索路徑均實現(xiàn)定位作用，圖6是其中一例?？梢姺椒ǖ目乖胄院芎?。
AZ)(;c) = aexp(6x) (VIII )。
C魯棒性分析
凹凸地面會造成機器人行走機構的非同步現(xiàn)象，即不同輪子產(chǎn)生不同位移量。本發(fā)明在仿真中人為加入隨機的機器人轉彎角度偏差，以模擬實際應用場合中地面不平整、機器人行走機構偏差、機器人本體某些條件變化等情況。圖7是加入士10度內(nèi)隨機偏差的一條搜索路徑，結果表明方法具有很好的魯棒性。
將現(xiàn)有技術中的定步長方法與本發(fā)明提出的變步長方法在相同初始步長條件下按照應用例的方法進行仿真試驗，原方法步長始終不變，而變步長方法步長根據(jù)氣味實測值調(diào)整。圖8和圖9分別是兩種方法各一例搜索路徑，對比可見變步長的定位功能是顯而易見的。圖10是兩種方法搜索100步，
對比例
11機器人與氣味源距離的對比，變步長方法在氣味源定位階段的縮聚特征是明顯的，從第100步往后變步長方法機器人與氣味源平均距離小于初始距離的4.5 % 。
綜上所述，經(jīng)所做仿真研究及實驗結果表明，本發(fā)明提出的基于機器人實測氣味的變步長方法，具有良好且完整的氣味源搜索功能；具有很好的穩(wěn)定性、抗噪性和魯棒性；搜索路徑是絕對收斂的；明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術中的定步長方法。本發(fā)明提出的變步長方法，能夠使攜帶單個氣味傳感器的地面移動機器人，針對在實際土壤中非理想擴散的氣味源，很好地進行氣味發(fā)現(xiàn)一一氣味跟蹤一一氣味源定位的完整的氣味搜索任務。
上述實例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其特征在于所述方法包括以下步驟氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段，機器人利用氣味探測裝置檢測到所需搜索的氣味；根據(jù)機器人檢測到的氣味在不同方向的氣味濃度差異初步判斷氣味源方向；按照初步判斷的氣味源方向開始行走；氣味跟蹤階段，根據(jù)機器人檢測到的氣味濃度變化情況和氣味濃度的復歸程度，以動態(tài)改變的步長變化率，調(diào)整步長持續(xù)行走；氣味源定位階段，機器人根據(jù)檢測到的氣味濃度的復歸程度和變化情況，以固定步長變化率或動態(tài)步長變化率調(diào)整步長持續(xù)行走。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述氣味發(fā)現(xiàn)步驟中氣味探測裝置為氣體傳感器。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述的氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，機器人采用固定步長以六邊形路徑 模式行進。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時以固定步長行進的步數(shù)為2 6。
5、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述氣味跟蹤階段調(diào)整步長包括機器人實測氣味濃度并根據(jù)氣味濃度的二階相對差分值判斷，機器人即 時調(diào)整步長以六邊形路徑模式跟蹤持續(xù)行走。
6、 根據(jù)權利要求5所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述氣味跟蹤階段按式(I)得到步長變化率k即時調(diào)整步長；<formula>formula see original document page 2</formula>其中，D為路徑點的氣味濃度；ii， n-l， n-2為剛完成的行進步序，k 大于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果增加，k小于0代表濃度在連續(xù)三步 內(nèi)的總效果減小，k等于O代表濃度在連續(xù)三步內(nèi)的總效果不變；在所述跟蹤階段內(nèi)持續(xù)行走時，其步長按式(II)計算并調(diào)整W","+產(chǎn)(1-0附"陽1," (II);其中，k為步長變化率，1^, +1為第n+l步的步長；n, n-l為同上定義。
7、根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其特征在于所述氣味源定位階段時，機器人以下式的步長變化率計算和調(diào)整步長，即其中，C為經(jīng)驗值，m,，，nH為第n+l步的步長；n, n-l為剛完成的行 進步序，kn為剛完成的步序為n時的步長變化率。
8、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述方法中氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即0.95D(")<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV); 其中，D為路徑點的氣味濃度n， n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次 滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段；否則繼續(xù)跟蹤行走。
9、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述方法還包括氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段到氣味跟蹤階段、氣味跟蹤階 段到氣味源定位階段的判斷步驟，所述判斷步驟包括氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段時，通過累計行走的步數(shù)判斷是否需轉入跟蹤階 段，當累計步數(shù)達到6時，則結束起步階段而進入跟蹤階段；跟蹤階段時，通過測量并計算氣味復歸程度判斷是否需轉入定位階段， 所述的氣味復歸程度通過式(IV)來判斷，即0.95D(n-6)<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);其中，D為路徑點的氣味濃度；n， n-6為行進步序，當式(IV)連續(xù)3次 滿足時，則結束跟蹤階段而進入定位階段。
10、 根據(jù)權利要求1所述的基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其 特征在于所述方法中當機器人因其行走機構的阻尼而停止行進時，即視為到 達氣味源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于氣味實測的機器人氣味源搜索方法，其特征在于所述方法包括以下步驟氣味發(fā)現(xiàn)和起步階段，機器人利用氣味探測裝置檢測到所需搜索的氣味；根據(jù)機器人檢測到的氣味在不同方向的氣味濃度差異初步判斷氣味源方向；按照初步判斷的氣味源方向開始行走；氣味跟蹤階段，根據(jù)機器人測得的氣味濃度情況和氣味濃度的復歸程度調(diào)整步長持續(xù)行走；氣味源定位階段，機器人以固定步長變化率或動態(tài)步長變化率調(diào)整步長持續(xù)行走。該方法既具有并擴展了氣味發(fā)現(xiàn)功能，又改善了氣味跟蹤性能，并增加了氣味源定位功能，在機器人氣味搜索方面具有廣泛的應用前景。
文檔編號G01C21/00GK101493328SQ20091011492
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權日2009年2月9日
發(fā)明者儉 王 申請人:蘇州科技學院