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基于虚拟力的多机器人化学源定位研究

张玉丽  
【摘要】:近年来,随着越来越多的有害化学品意外泄露和逐渐增长的生化恐怖袭击,一些学者开始研究利用配有化学气体/气味传感器的移动机器人来实现对有害化学源的快速定位及有效控制,以减少其对人类造成的伤亡。使用移动机器人对化学源进行定位在很多方面都有着潜在的应用前景:如有毒/有害气体、液体泄露的排查检测、反恐袭击、火灾建筑物搜索以及防爆排雷等。目前,对于化学源定位问题的研究主要集中在使用单个或多个独立机器人对单一化学源进行寻找、检测和跟踪。而对于更为复杂的情况:多化学源的高效、快速定位问题给予的关注很少。然而,这类问题在实际生活中更加常见,它要求我们在这些化学源对周围环境或人造成巨大损失前,必须快速检测并定位到所有的化学源。解决多化学源定位问题将面临更多新的挑战,如不同化学源的多样性、“串扰”性,对所有化学源要求及时定位的需要等。本文从建立化学源定位仿真环境开始,针对于单个及多个化学源定位问题,研究了基于虚拟力和种群的自主多机器人化学源定位方法,并进行了大量仿真实验,验证了该方法的有效性。首先,鉴于现有烟羽模型很难描述室内通风环境下的烟羽模型及室外通风环境下多个化学源的烟羽模型,本文使用FLUENT软件,建立了室内通风环境下单个化学源的二维湍流烟羽模型及室外通风环境下多个化学源的二维湍流烟羽模型;同时设计了仿真机器人模型;并基于MATLAB软件,建立了多机器人化学源定位的可视化动态仿真环境,用于验证化学源定位方法的有效性。其次,针对室内通风环境下单个化学源定位问题,提出了基于虚拟力的多机器人定位策略,该虚拟力包括多机器人之间的编队控制力、用于跟踪烟羽的目标力及避障力。在化学源确认方面,利用机器人编队自身力的平衡性,采用计算气体质量通量的方法进行判断。仿真实验考察了在有(无)障碍物的室内湍流环境下,机器人数目、机器人初始位置以及烟羽释放率和风速/风向变化率对搜索速度的影响;并对三种常用烟羽跟踪算法:趋化性、趋风性及通量趋向性的性能进行了对比和优劣分析。再次,针对室外通风环境下两个化学源定位问题,同时为加快搜索速度,提出了采用两组机器人并行搜索策略。为避免两组机器人同时定位同一化学源,提出了添加虚拟斥力与旋转力的多组机器人定位策略。仿真实验在有(无)障碍物的室外两个化学源湍流环境下,探讨了三种典型的烟羽跟踪算法:趋化性、趋风性、通量趋向性中,不同初始位置和不同烟羽释放率及风速/风向变化率对搜索速度的影响,并给出了三种烟羽跟踪算法的比较结果。然后,针对室外通风环境下五个化学源定位问题的研究需要,同时为更有效地发挥并行搜索中每组机器人的搜索能力,提出了添加“释放”机制的搜索策略,实现了一组机器人定位多个化学源的目的,同时还避免了化学源被重复定位的可能。该策略包括两部分:禁忌域的设置和逃离禁忌域的释放力设置。仿真实验首先使用一组机器人采用趋化性烟羽跟踪算法对室外两个化学源的烟羽模型进行了修正实验,改善了之前使用两组机器人的仿真结果;接下来,仿真实验探讨了三种典型的烟羽跟踪算法:趋化性、趋风性、通量趋向性中,禁忌域半径、烟羽释放率和风速/风向变化率以及机器人组数对搜索速度的影响,同时给出了三种烟羽跟踪算法的性能比较结果。最后,研究了室内无风环境下多个化学源定位问题,提出了基于修正萤火虫优化算法的搜索策略(M-GSO)。该策略包括烟羽发现(自探索全局搜索)、烟羽跟踪(萤火虫算法)、化学源确认(化学源识别)和设置禁忌域四个阶段。烟羽发现采用“自探索”机制,即随机执行螺旋搜索或波形搜索。烟羽跟踪采用变步长萤火虫优化算法搜索策略,当萤火虫位于搜索域的边缘时,采用递减的变步长搜索策略,当萤火虫随机放置在搜索域时,采用均匀分布或正态分布的变步长策略。化学源确认采用三步确认策略:收敛点→假定化学源→确认化学源。实验证明修正萤火虫优化算法效果良好,不仅在给定的三种初始机器人位置分布上,定位到了全部化学源,同时也提高了搜索速度。该论文有图118幅,表32个,参考文献167篇。


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