本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)的發(fā)展，石化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，同時(shí)，石化工廠的災(zāi)難事故以及有毒有害氣體的泄露事件也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，給國家和人民的財(cái)產(chǎn)造成了難以估量的損失。因此，對石化工廠以及危險(xiǎn)化學(xué)物倉儲(chǔ)環(huán)境的氣體檢測和氣體泄露源搜尋和定位的研究十分重要。能否成功的研究出一種利用自主全向移動(dòng)的機(jī)器人主動(dòng)搜尋氣味源的方法，保障國家和人民的財(cái)產(chǎn)安全和身體健康，為我國石化產(chǎn)業(yè)保駕護(hù)航具有重要的意義。

傳統(tǒng)的氣味源定位的方法主要有人工巡檢和固定的傳感網(wǎng)絡(luò)法，然而，上述兩種方法都有明顯的不足和缺點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多學(xué)者開始利用移動(dòng)機(jī)器人搭載氣體傳感器進(jìn)行泄露源的搜尋和定位，即利用主動(dòng)嗅覺來實(shí)現(xiàn)氣味源的定位。hayes將氣味源的搜尋分為三個(gè)階段：煙羽發(fā)現(xiàn)、煙羽跟蹤和氣味源定位。所謂煙羽，是指從氣味源釋放氣味分子被風(fēng)吹散，在空氣中形成像羽毛一樣飄揚(yáng)的狀態(tài)。二十世紀(jì)九十年代以來，學(xué)者們提出了很多相關(guān)的策略，主要依據(jù)化學(xué)趨向性和風(fēng)趨向性，如zigzag遍歷算法、spiral遍歷算法、surge類算法、spiral-surge類算法等，這些方法都有明顯的局限性，搜索效率低，搜尋速度慢，容易受到局部濃度最大值的干擾。因此，上述算法難以應(yīng)用到復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境當(dāng)中。russell等人在文獻(xiàn)中提出的蠶蛾算法，通過模擬雄蛾跟蹤雌蛾信息素的行為，主要包括surge運(yùn)動(dòng)、搖擺的casting運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)。該算法搜索效率低，在具體的實(shí)際環(huán)境中沒有考慮障礙物的影響，對氣體信息的檢測不夠全面，沒有提出具體的氣味源確定的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法。本方法考慮了風(fēng)向和風(fēng)速的影響因素，當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定的閾值，機(jī)器人采取不同的搜尋方式進(jìn)行煙羽發(fā)現(xiàn)。在煙羽追蹤階段中，機(jī)器人進(jìn)行變步長變角度的搖擺運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合機(jī)器人本體的360°全向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；相比無規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人采取向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)和360°全向旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式，在復(fù)雜的湍流環(huán)境中，更有效的追蹤氣味信息，增加了運(yùn)動(dòng)的靈活性，提高檢測氣體的成功率。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，設(shè)計(jì)該方法中所使用的搜尋定位氣味源的全向移動(dòng)機(jī)器人：

所述機(jī)器人采用具有全向移動(dòng)功能的輪式結(jié)構(gòu)；所述機(jī)器人的前部安裝有五個(gè)氣體傳感器，五個(gè)氣體傳感器呈半圓狀分布，相鄰兩個(gè)氣體傳感器之間的夾角為45°，其中一個(gè)氣體傳感器位于機(jī)器人正前方，用于檢測氣體的濃度，檢測到的濃度在煙羽跟蹤階段決定機(jī)器人下一步的轉(zhuǎn)向；所述機(jī)器人的頂部安裝有風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器，用于檢測環(huán)境中的風(fēng)速和風(fēng)向；所述機(jī)器人的側(cè)面安裝有三個(gè)激光測距傳感器，呈半圓狀分布，其中一個(gè)激光測距傳感器位于機(jī)器人正前方，相鄰兩個(gè)激光測距傳感器之間的夾角為90°，用于檢測障礙物和最終氣味源的確認(rèn)；

步驟二，機(jī)器人搜尋定位氣味源，包括以下三個(gè)階段：

(i)煙羽發(fā)現(xiàn)階段：機(jī)器人搜尋任務(wù)開始，首先利用風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速，當(dāng)測量風(fēng)速≤設(shè)定的風(fēng)速閾值時(shí)，機(jī)器人采取z字形遍歷搜索法進(jìn)行全面搜索，前進(jìn)的同時(shí)結(jié)合機(jī)器人本體360°全向旋轉(zhuǎn)，遇邊界改變行駛方向；當(dāng)測量風(fēng)速＞設(shè)定的風(fēng)速閾值時(shí)，風(fēng)向傳感器工作，機(jī)器人轉(zhuǎn)向?yàn)榕c風(fēng)向呈90-180°之間的任意夾角，同時(shí)機(jī)器人本體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，并開始沿著上風(fēng)向向前行駛；向前行駛后未檢測到氣體，遇到障礙后改變方向，朝著當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)，與風(fēng)向呈90-180°之間的任意夾角繼續(xù)沿上風(fēng)向行駛，同時(shí)機(jī)器人本體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，直到檢測到氣體信息，煙羽發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束；

(ii)煙羽追蹤階段：

機(jī)器人檢測到煙羽后，調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)器人的方向，使機(jī)器人逆風(fēng)前進(jìn)直到檢測到氣味源，搜尋任務(wù)結(jié)束；

如果逆風(fēng)前進(jìn)一段時(shí)間后，氣體信息丟失，機(jī)器人根據(jù)五個(gè)氣體傳感器先前測得的氣體濃度數(shù)據(jù)，設(shè)定初始步長值d0，機(jī)器人轉(zhuǎn)向測得的平均濃度高的一側(cè)，與當(dāng)前前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)角為22.5°，沿該方向前進(jìn)d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)45°，沿該方向前進(jìn)2d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)67.5°，沿該方向前進(jìn)3d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，沿該方向前進(jìn)4d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)112.5°，沿該方向前進(jìn)5d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)135°，沿該方向前進(jìn)6d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

機(jī)器人在上述變步長變角度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)之后，如果還未檢測到氣體，機(jī)器人開始沿順時(shí)針方向做向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人本體做360°的全向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針移動(dòng)兩圈后，如果檢測到氣體信息，機(jī)器人繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)，如果未檢測到氣體信息，繼續(xù)做同樣的動(dòng)作，直到檢測到氣體；

(iii)氣味源定位階段：氣味源的定位需滿足兩個(gè)條件：氣味源的濃度大于設(shè)定的閾值；氣味源本身也是障礙物；

當(dāng)氣體傳感器測得的氣體濃度大于預(yù)先設(shè)定的濃度閾值，利用激光測距傳感器器進(jìn)行障礙物檢測；障礙物檢測的方法是：機(jī)器人在障礙物附近進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人本體做360°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，全面檢測周圍氣體濃度是否發(fā)生大范圍變化，當(dāng)滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，氣味源定位完成，搜尋任務(wù)結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

1.本方法采用的全向移動(dòng)機(jī)器人利用麥克納姆輪，機(jī)器人可以采取全向移動(dòng)和本體360°全向旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式。機(jī)器人移動(dòng)更加靈活，活動(dòng)范圍更廣，可以實(shí)現(xiàn)全方位的搜尋功能，可適用于更加復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境。

2.本方法采用的全向移動(dòng)機(jī)器人前端搭載五個(gè)氣體傳感器，呈半圓狀分布，相鄰兩個(gè)氣體傳感器之間的夾角為45°，其中一個(gè)氣體傳感器位于機(jī)器人正前方；機(jī)器人側(cè)面搭載三個(gè)激光測距傳感器，呈半圓狀分布，其中一個(gè)激光測距傳感器位于機(jī)器人正前方，相鄰兩個(gè)激光測距傳感器之間的夾角為90°；風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器位于機(jī)器人頂部。采用多種傳感器融合的布置方式可以更廣泛的檢測到周圍的氣體濃度信息、風(fēng)向信息和障礙物信息，有利于獲得全面的檢測數(shù)據(jù)，提高了機(jī)器人搜尋氣味源的效率。

3.相比傳統(tǒng)的氣味源搜尋方法，本方法更加具有實(shí)用性和魯棒性。當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定的閾值，機(jī)器人采取不同的搜尋方式進(jìn)行煙羽發(fā)現(xiàn)。在煙羽追蹤階段中，機(jī)器人進(jìn)行變步長變角度的搖擺運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合機(jī)器人本體的全向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如果還未檢測到氣體，機(jī)器人沿順時(shí)針方向做向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人本體做360°的全向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。相比無規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人采取向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)和本體360°全向旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式，在復(fù)雜的湍流環(huán)境中，更有效的追蹤氣味信息，增加了運(yùn)動(dòng)的靈活性，提高檢測氣體的成功率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法一種實(shí)施例的全向移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖；(圖中：1、風(fēng)向傳感器；2、風(fēng)速傳感器；3、氣體傳感器；4、激光測距傳感器；5、麥克納姆輪)

圖2為本發(fā)明機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法一種實(shí)施例的全向移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；(圖中：1、風(fēng)向傳感器；2、風(fēng)速傳感器；3、氣體傳感器；4、激光測距傳感器；5、麥克納姆輪)

圖3為本發(fā)明機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法一種實(shí)施例的全向移動(dòng)機(jī)器人搜尋氣味源過程的行走路線圖；(圖中：a區(qū)域表示機(jī)器人逆風(fēng)行走的過程；b區(qū)域表示機(jī)器人煙羽追蹤過程中的變步長變角度的搖擺運(yùn)動(dòng)；c區(qū)域表示機(jī)器人向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)和本體360°全向旋轉(zhuǎn)相結(jié)合運(yùn)動(dòng)，圓圈表示機(jī)器人本體的全向旋轉(zhuǎn)；黑色箭頭表示風(fēng)向)

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，不限制本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種機(jī)器人主動(dòng)搜尋定位氣味源的方法(參見圖1-3，簡稱方法)，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，設(shè)計(jì)該方法中所使用的搜尋定位氣味源的全向移動(dòng)機(jī)器人(簡稱機(jī)器人)：

所述機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)，選用具有全向移動(dòng)功能的麥克納姆輪5；所述機(jī)器人的前部安裝有五個(gè)氣體傳感器3，五個(gè)氣體傳感器3呈半圓狀分布，相鄰兩個(gè)氣體傳感器3之間的夾角為45°，其中一個(gè)氣體傳感器3位于機(jī)器人正前方，用于檢測氣體的濃度，檢測到的濃度在煙羽跟蹤階段決定機(jī)器人下一步的轉(zhuǎn)向；所述機(jī)器人的頂部安裝有風(fēng)向傳感器1和風(fēng)速傳感器2，用于檢測環(huán)境中的風(fēng)速和風(fēng)向；所述機(jī)器人的側(cè)面安裝有三個(gè)激光測距傳感器4，呈半圓狀分布，其中一個(gè)激光測距傳感器4位于機(jī)器人正前方，相鄰兩個(gè)激光測距傳感器4之間的夾角為90°，用于檢測障礙物和最終氣味源的確認(rèn)；

步驟二，機(jī)器人搜尋定位氣味源，包括以下三個(gè)階段：

(i)煙羽發(fā)現(xiàn)階段：機(jī)器人搜尋任務(wù)開始，首先利用風(fēng)速傳感器2檢測風(fēng)速，當(dāng)測量風(fēng)速≤設(shè)定的風(fēng)速閾值時(shí)，機(jī)器人采取z字形遍歷搜索法進(jìn)行全面搜索，前進(jìn)的同時(shí)結(jié)合機(jī)器人本體360°全向旋轉(zhuǎn)，遇邊界改變行駛方向；當(dāng)測量風(fēng)速＞設(shè)定的風(fēng)速閾值時(shí)，風(fēng)向傳感器1工作，機(jī)器人轉(zhuǎn)向?yàn)榕c風(fēng)向呈90-180°之間的任意夾角，同時(shí)機(jī)器人本體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，并開始沿著上風(fēng)向向前行駛；向前行駛后未檢測到氣體，遇到障礙后改變方向，朝著當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)，與風(fēng)向呈90-180°之間的任意夾角繼續(xù)沿上風(fēng)向反向行駛，同時(shí)機(jī)器人本體進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，直到檢測到氣體信息，煙羽發(fā)現(xiàn)階段結(jié)束；

(ii)煙羽追蹤階段：

機(jī)器人檢測到煙羽后，調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)器人的方向，使機(jī)器人逆風(fēng)前進(jìn)直到檢測到氣味源，搜尋任務(wù)結(jié)束；

如果逆風(fēng)前進(jìn)一段時(shí)間后，氣體信息丟失，機(jī)器人根據(jù)五個(gè)氣體傳感器3先前測得的氣體濃度數(shù)據(jù)，機(jī)器人轉(zhuǎn)向測得的平均濃度高的一側(cè)，與當(dāng)前前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)角為22.5°，設(shè)定初始步長為d0，沿該方向前進(jìn)d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)45°，沿該方向前進(jìn)2d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)67.5°，沿該方向前進(jìn)3d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，沿該方向前進(jìn)4d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)112.5°，沿該方向前進(jìn)5d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

如果未檢測到氣體信息，機(jī)器人停止前進(jìn)，機(jī)器人向當(dāng)前行駛方向的另一側(cè)旋轉(zhuǎn)135°，沿該方向前進(jìn)6d0，如果氣體信息丟失，機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)360°對周圍的氣體信息進(jìn)行全方位檢測，若重新檢測到氣體，繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)；

機(jī)器人在上述變步長變角度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)之后，如果還未檢測到氣體，機(jī)器人開始沿順時(shí)針方向做向前的螺旋線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人本體做360°的全向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針移動(dòng)兩圈后，如果檢測到氣體信息，機(jī)器人繼續(xù)逆風(fēng)前進(jìn)，如果未檢測到氣體信息，繼續(xù)做同樣的動(dòng)作，直到檢測到氣體；

(iii)氣味源定位階段：氣味源的定位需滿足兩個(gè)條件：氣味源的濃度大于設(shè)定的閾值；氣味源本身也是障礙物；

當(dāng)氣體傳感器3測得的氣體濃度大于預(yù)先設(shè)定的濃度閾值，利用激光測距傳感器器4進(jìn)行障礙物檢測；障礙物檢測的方法是：機(jī)器人在障礙物附近進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)器人本體做360°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，全面檢測周圍氣體濃度是否發(fā)生大范圍變化，當(dāng)滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，氣味源定位完成，搜尋任務(wù)結(jié)束。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。