湍動(dòng)氣流主控環(huán)境下多機(jī)器人氣味源定位.pdf

1、嗅覺在生物世界已被廣泛地應(yīng)用。許多動(dòng)物通過氣味實(shí)現(xiàn)交流信息、發(fā)現(xiàn)配偶、躲避入侵者和搜尋食物等行為。受到生物嗅覺的啟發(fā)，自二十世紀(jì)九十年代開始，一些學(xué)者開始使用移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合氣味/氣體傳感器實(shí)現(xiàn)氣味源定位、氣味分布地圖構(gòu)建和氣味軌跡引導(dǎo)等功能，即所謂的機(jī)器人主動(dòng)嗅覺。
　　 主動(dòng)嗅覺的研究涉及移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航與控制、傳感及信息處理、仿生學(xué)、計(jì)算智能和流體力學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域。它在有毒/有害氣體泄漏源查找、違禁品檢查、災(zāi)難營救及防生化恐

2、怖襲擊等諸多方面均有著潛在的應(yīng)用前景。
　　 本文針對(duì)氣味源定位問題，在湍流主控的氣態(tài)流體環(huán)境下，采用多機(jī)器人策略，重點(diǎn)開展了如下的研究工作：
　　 第一，鑒于現(xiàn)有煙羽仿真模型用于描述室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境存在的不足，本文在現(xiàn)有煙羽模型和計(jì)算流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上建立了用于驗(yàn)證氣味源定位算法的室內(nèi)二維湍流煙羽模型；在該仿真環(huán)境中給出了考慮真實(shí)氣味傳感器響應(yīng)/恢復(fù)特性的二階氣味傳感器模型。
　　 第二，針對(duì)湍動(dòng)氣流主控環(huán)境下的氣

3、味源定位問題，提出了多機(jī)器人氣味源定位三個(gè)不同階段(煙羽發(fā)現(xiàn)、跟蹤和氣味源確認(rèn))的算法。多機(jī)器人采用發(fā)散搜索并逐漸覆蓋搜索空間實(shí)現(xiàn)煙羽發(fā)現(xiàn)；在煙羽跟蹤階段，為更有效的利用風(fēng)速/風(fēng)向和煙羽信息，且力圖克服煙羽的動(dòng)態(tài)復(fù)雜特性的影響，避免陷入局部極值，提出了基于改進(jìn)蟻群優(yōu)化結(jié)合逆風(fēng)搜索算法以及概率粒子群優(yōu)化算法；基于氣味源的持久性和發(fā)散性特點(diǎn)，結(jié)合啟發(fā)式思想和氣味質(zhì)量通量計(jì)算，提出了三步氣味源確認(rèn)算法。
　　 第三，對(duì)所提出的算法分別

4、在室外大尺度湍流煙羽模型和室內(nèi)小尺度湍流煙羽模型下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在仿真實(shí)驗(yàn)中還將前人提出的基于粒子群優(yōu)化的多機(jī)器人氣味源定位算法與本文的方法作了對(duì)比；在室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行了多個(gè)真實(shí)機(jī)器人氣味源定位實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出算法的可行性與優(yōu)越性。
　　 最后，對(duì)多機(jī)器人氣味源定位中的探索(Exploration)和利用(Exploitation)特性進(jìn)行了分析，提出了二者平衡的指標(biāo)和分類方法。將提出的兩種探索一利用平衡模式與改進(jìn)的