基于虛擬力的多機器人化學(xué)源定位研究.pdf

1、近年來，隨著越來越多的有害化學(xué)品意外泄露和逐漸增長的生化恐怖襲擊，一些學(xué)者開始研究利用配有化學(xué)氣體/氣味傳感器的移動機器人來實現(xiàn)對有害化學(xué)源的快速定位及有效控制，以減少其對人類造成的傷亡。使用移動機器人對化學(xué)源進(jìn)行定位在很多方面都有著潛在的應(yīng)用前景：如有毒/有害氣體、液體泄露的排查檢測、反恐襲擊、火災(zāi)建筑物搜索以及防爆排雷等。
　　目前，對于化學(xué)源定位問題的研究主要集中在使用單個或多個獨立機器人對單一化學(xué)源進(jìn)行尋找、檢測和跟蹤。而

2、對于更為復(fù)雜的情況：多化學(xué)源的高效、快速定位問題給予的關(guān)注很少。然而，這類問題在實際生活中更加常見，它要求我們在這些化學(xué)源對周圍環(huán)境或人造成巨大損失前，必須快速檢測并定位到所有的化學(xué)源。解決多化學(xué)源定位問題將面臨更多新的挑戰(zhàn)，如不同化學(xué)源的多樣性、“串?dāng)_”性，對所有化學(xué)源要求及時定位的需要等。
　　本文從建立化學(xué)源定位仿真環(huán)境開始，針對于單個及多個化學(xué)源定位問題，研究了基于虛擬力和種群的自主多機器人化學(xué)源定位方法，并進(jìn)行了大量仿真

3、實驗，驗證了該方法的有效性。
　　首先，鑒于現(xiàn)有煙羽模型很難描述室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下的煙羽模型及室外通風(fēng)環(huán)境下多個化學(xué)源的煙羽模型，本文使用FLUENT軟件,建立了室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下單個化學(xué)源的二維湍流煙羽模型及室外通風(fēng)環(huán)境下多個化學(xué)源的二維湍流煙羽模型；同時設(shè)計了仿真機器人模型；并基于 MATLAB軟件，建立了多機器人化學(xué)源定位的可視化動態(tài)仿真環(huán)境,用于驗證化學(xué)源定位方法的有效性。
　　其次，針對室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下單個化學(xué)源定位問題，提

4、出了基于虛擬力的多機器人定位策略,該虛擬力包括多機器人之間的編隊控制力、用于跟蹤煙羽的目標(biāo)力及避障力。在化學(xué)源確認(rèn)方面，利用機器人編隊自身力的平衡性，采用計算氣體質(zhì)量通量的方法進(jìn)行判斷。仿真實驗考察了在有（無）障礙物的室內(nèi)湍流環(huán)境下，機器人數(shù)目、機器人初始位置以及煙羽釋放率和風(fēng)速/風(fēng)向變化率對搜索速度的影響；并對三種常用煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性及通量趨向性的性能進(jìn)行了對比和優(yōu)劣分析。
　　再次，針對室外通風(fēng)環(huán)境下兩個化學(xué)源定位

5、問題，同時為加快搜索速度，提出了采用兩組機器人并行搜索策略。為避免兩組機器人同時定位同一化學(xué)源，提出了添加虛擬斥力與旋轉(zhuǎn)力的多組機器人定位策略。仿真實驗在有（無）障礙物的室外兩個化學(xué)源湍流環(huán)境下，探討了三種典型的煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性、通量趨向性中，不同初始位置和不同煙羽釋放率及風(fēng)速/風(fēng)向變化率對搜索速度的影響，并給出了三種煙羽跟蹤算法的比較結(jié)果。
　　然后，針對室外通風(fēng)環(huán)境下五個化學(xué)源定位問題的研究需要，同時為更有效地發(fā)揮

6、并行搜索中每組機器人的搜索能力，提出了添加“釋放”機制的搜索策略，實現(xiàn)了一組機器人定位多個化學(xué)源的目的,同時還避免了化學(xué)源被重復(fù)定位的可能。該策略包括兩部分：禁忌域的設(shè)置和逃離禁忌域的釋放力設(shè)置。仿真實驗首先使用一組機器人采用趨化性煙羽跟蹤算法對室外兩個化學(xué)源的煙羽模型進(jìn)行了修正實驗，改善了之前使用兩組機器人的仿真結(jié)果；接下來，仿真實驗探討了三種典型的煙羽跟蹤算法：趨化性、趨風(fēng)性、通量趨向性中，禁忌域半徑、煙羽釋放率和風(fēng)速/風(fēng)向變化率以

7、及機器人組數(shù)對搜索速度的影響，同時給出了三種煙羽跟蹤算法的性能比較結(jié)果。
　　最后，研究了室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境下多個化學(xué)源定位問題，提出了基于修正螢火蟲優(yōu)化算法的搜索策略（M-GSO）。該策略包括煙羽發(fā)現(xiàn)（自探索全局搜索）、煙羽跟蹤（螢火蟲算法）、化學(xué)源確認(rèn)（化學(xué)源識別）和設(shè)置禁忌域四個階段。煙羽發(fā)現(xiàn)采用“自探索”機制，即隨機執(zhí)行螺旋搜索或波形搜索。煙羽跟蹤采用變步長螢火蟲優(yōu)化算法搜索策略，當(dāng)螢火蟲位于搜索域的邊緣時，采用遞減的變步長搜索