本发明专利技术公开了一种基于改进模拟退火算法的多无人机协同污染物溯源方法，包括采用人工嗅觉法设定疑似污染源泄露区域，根据无人机数量将疑似污染源泄露区域划分为多个子区域。各无人机通过无线传输模块向PC端地面中心传输信息从而进行信息交互。PC端地面中心基于改进模拟退火算法不断更新各无人机位置，并将新的位置信息发送至各无人机。当各无人机在某个位置不停地徘徊，形成半径为1m的圆，且各无人机气体传感器浓度高于某个阈值，则判断为找到污染源。进一步地将本发明专利技术算法在人工搭建的高斯烟羽浓度场下进行仿真实验，仿真结果验证了本发明专利技术算法在研究污染物溯源领域具有较高的可行性、精确度和溯源效率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于改进模拟退火的多无人机协同污染物溯源方法
本专利技术涉及一种多无人机协同污染物溯源方法，属于多旋翼无人机与大气环境监测领域。
技术介绍
污染物主要是指在人类活动或自然过程中排入大气的并对人和环境产生有害影响的气体物质。近年来随着工业化的快速发展，各级政府针对大气污染的严峻形势提出了更高的应急响应和应急处置能力的要求，精确和快速地确定污染源的位置和影响，对实现大气污染的靶向治理和制定有效的应急处置方案具有重要意义。传统污染源定位一般以固定监测站、车载式监测站和无线传感器网络为依据，通过将其位置和污染物浓度信息相结合来估计污染源的位置。然而固定监测站、车载式监测站定位法速度慢，成本高；网格自动检测法覆盖面积小，定位精确性不高。近年来很多学者尝试着利用单个或者多个地面机器人进行气味污染源搜索，然而机器人受地面复杂环境的影响，定位速度慢、覆盖范围小,目前局限于实验阶段。也有学者在单个无人机各个方向分别安装气体传感器，采用浓度梯度算法进行污染源定位，然而受旋翼无人机螺旋桨搅动空气的原因导致各个方向的传感器检测数据存在很大的误差，容易陷入局部最优，且单个无人机耗时长，鲁棒性较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是，提供一种基于改进模拟退火的多无人机协同污染物溯源方法。该方法具有定位精度高，速度快，鲁棒性强、且能够避免陷入局部最优。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：基于一种改进模拟退火算法的多无人机协同污染物溯源方法包括：多台旋翼无人机、气体传感器模块、无线传输模块、避障模块、PC端地面中心；所述多台旋翼无人机用来搜索泄露污染源具体位置信息；所述气体传感器模块检测污染物气体类型和浓度；所述无线传输模块用来实现多台无人机与PC端地面中心进行信息的交互；所述避障模块用来无人机飞行过程中避开障碍物；所述PC端地面中心用来接收各无人机的浓度、位置等信息以及更新无人机的位置。包括以下步骤：步骤1：采用人工嗅觉法设定疑似污染源泄露区域，疑似污染源泄露区域设定通常以石油化工厂、垃圾处理厂、皮革厂、污水处理厂等分布密集的区域为主。步骤2：根据无人机数量N，将疑似污染源区域化分为多个子区域。扇形子区域角度为：每个子区域内放置一台无人机构成一个微粒进行搜索，整个区域的所有无人机构成微粒群通过信息交互进行污染源定位。步骤3：N台无人机组成的微粒群X＝(X1，X2，X3...XN)在三维搜索空间中从初始位置开始起飞，记录每台无人机初始位置为Xi＝(Xix，Xiy，Xiz)(i＝1，2，...，N)并读取当前位置浓度数据f(Xi)。步骤4：执行改进模拟退火全局搜索策略，各无人机采用爬山算法的思想搜索烟羽，以当前位置为圆心，以气体传感器检测范围为半径，读取检测范围内任一点浓度数据f(X′i)，通过传输模块将所读取的数据传回PC端地面中心并进行判断：若f(X′i)＞f(Xi)，则Xi＝X′i，f(Xi)＝f(X′i)，否则Xi＝Xi，f(Xi)＝f(Xi)；增强无人机全局搜索能力，提高无人机全局搜索效率。步骤5：基于改进模拟退火全局搜索策略不断更新各无人机位置Xi，无人机接收指令并飞往更新后的位置Xi，快速搜索烟羽。步骤6：PC端地面中心通过计算种群无人机浓度数据值是否超过阈值，判断无人机是否找到烟羽，若找到则进入执行改进模拟退火局部搜索策略，否则继续执行改进模拟退火全局搜索策略。步骤7：通过步骤4更新各无人机最新位置信息后，比较当前位置各无人机浓度数据f(Xi)，并以储存当前全局最优解浓度数据的无人机的位置为中心，以气体传感器检测范围为半径，读取检测范围内任意N点浓度数据，并随机平均分配给N架无人机，将此组浓度数据记为f(X″i)，通过传输模块将所读取的数据传回PC端地面中心并进行判断：若f(X″i)＞f(Xi)，或f(X″i)＜f(Xi)且满足Metropolis准则，则Xi＝X″i，f(Xi)＝f(X″i)，否则Xi＝Xi，f(Xi)＝f(Xi)。步骤8：基于改进模拟退火局部搜索策略不断更新各无人机位置Xi，无人机接收指令并飞往更新后的位置Xi，逐渐逼近污染源。步骤9：判断更新后的位置是否为恶臭污染源，若各无人机在某个位置不停的徘徊，围成半径为1m左右的圆形状，且各无人机气体传感器浓度高于某个阈值，则判断为找到污染源，且将污染源位置传回PC端地面中心，PC端地面中心向无人机发送返航指令；否则继续步骤7执行改进模拟退火局部搜索策略。附图说明图1是本专利技术的流程图图2是本专利技术疑似污染源泄露区域及子区域划分示意图图3是本专利技术算法在人工搭建的高斯烟羽浓度场下的仿真路线图图4是本专利技术算法在仿真过程中实验次数与有效率的折线关系图图5是本专利技术算法在仿真过程中有效次数与误差率的柱形关系图图6是本专利技术算法在仿真过程中有效次数与迭代次数的柱形关系图具体实施方式如图1所示，一种基于改进模拟退火的多无人机协同污染物溯源方法具体包括以下步骤：步骤1：采用人工嗅觉法设定疑似污染源泄露区域，疑似污染源泄露区域设定通常以石油化工厂、垃圾处理厂、皮革厂、污水处理厂等分布密集的区域为主。步骤2：根据无人机数量N，将疑似污染源区域化分为多个子区域。每个子区域内放置一台无人机构成一个微粒进行搜索,整个区域的所有无人机构成微粒群通过信息交互进行污染源定位。所述步骤2：根据无人机数量N，将疑似污染源区域化分为多个扇形子区域，扇形子区域角度为：步骤3：N台无人机组成的微粒群X＝(X1,X2,X3…XN)在三维搜索空间中从初始位置开始起飞，记录每台无人机初始位置为Xi＝(Xix,Xiy,Xiz)(i＝1,2,…,N)并读取当前位置浓度数据f(Xi)。步骤4：执行改进模拟退火全局搜索策略，各个无人机以当前位置为圆心，以气体传感器检测范围为半径，读取检测范围内任一点浓度数据f(X′i)，通过传输模块将所读取的数据传回PC端地面中心并进行判断：若f(X′i)＞f(Xi)，则Xi＝X′i，f(Xi)＝f(X′i)，否则Xi＝Xi，f(Xi)＝f(Xi)。所述步骤4：执行改进模拟退火全局搜索策略，各无人机采用爬山算法的思想搜索烟羽，增强无人机全局搜索能力，提高无人机全局搜索效率。步骤5：基于改进模拟退火全局搜索策略不断更新各无人机位置Xi，无人机接收指令并飞往更新后的位置Xi，快速搜索烟羽。步骤6：PC端地面中心计算种群无人机浓度数据值是否超过阈值ε，若每个无人机当前浓度数据均小于某阈值即max(f(x1)，f(x2)，...f(xN))＜ε，则PC端地面中心向各无人机发送继续执行改进模拟退火全局搜索策略指令，若某个无人机当前浓度数据大于设定阈值ε，则判定发现烟羽，PC端地面中心向各无人机发送执行改进模拟退火局部搜索策略指令。步骤7：通过步骤4更新各无人机最新位置信息后，比较当前位置各无人机浓度数据f(Xi)，并以储存当前全局最优解浓度数据的无人机的位置为中心，以气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于改进模拟退火的多无人机协同污染物溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：用人工嗅觉法设定疑似污染源泄露区域；/n步骤2：根据无人机数量N，将疑似污染源泄露区域划分为多个子区域，每个子区域内放置一台无人机构成一个微粒搜索，整个区域的所有无人机构成微粒群通过信息交互进行污染源定位；/n步骤3：N台无人机组成的微粒群X＝(X
【技术特征摘要】
1.一种基于改进模拟退火的多无人机协同污染物溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：用人工嗅觉法设定疑似污染源泄露区域；
步骤2：根据无人机数量N，将疑似污染源泄露区域划分为多个子区域，每个子区域内放置一台无人机构成一个微粒搜索，整个区域的所有无人机构成微粒群通过信息交互进行污染源定位；
步骤3：N台无人机组成的微粒群X＝(X1，X2，X3...XN)在三维搜索空间中从初始位置开始起飞，记录每台无人机初始位置为Xi＝(Xix，Xiy，Xiz)(i＝1，2，...，N)并读取当前位置浓度数据f(Xi)；
步骤4：执行改进模拟退火全局搜索策略，各个无人机以当前位置为圆心，以气体传感器检测范围为半径，读取检测范围内任一点浓度数据f(X′i)，通过传输模块将所读取的数据传回PC端地面中心并进行判断：若f(X′i)＞f(Xi)，则Xi＝X′i，f(Xi)＝f(X′i)，否则Xi＝Xi，f(Xi)＝f(Xi)；
步骤5：基于改进模拟退火全局搜索策略不断更新各无人机位置Xi，无人机接收指令并飞往更新后的位置Xi，快速搜索烟羽；
步骤6：PC端地面中心通过计算种群无人机浓度数据值是否超过阈值，判断无人机是否找到烟羽，若找到则进入执行改进模拟退火局部搜索策略，否则继续执行改进模拟退火全局搜索策略；
步骤7：通过步骤4更新各无人机最新位置信息后，比较当前位置各无人机浓度数据f(Xi)，并以储存当前全局最优解浓度数据的无人机的位置为中心，以气体传感器检测范围为半径，读取检测范围内任意N点浓度数据，并随机平均分配给N架无人机，将此组浓度数据记为f(X″i)，通过传输模块将所读取的数据传回PC端地面中心并进行判断：若f(X″i)＞f(Xi)且满足Metropolis准则，则Xi＝X″i，f(Xi)＝f(X″i)，否则Xi＝Xi，f(Xi)＝f(Xi)；
步骤8：基于改进模拟退火局部搜索策略不断更新各无人机位置Xi，无人机接收指令并飞往更新后的位置Xi，逐渐逼近污染源；
步骤9：判断是否成功定位污染源，若成功定位则将污染源位置传回PC端地面中心，PC端地面中心向无人机发送返航指令；否则继续步骤7执行改进模拟退火局部搜索策略。...
【专利技术属性】
技术研发人员：张振明，丁涛，刘振国，崔学林，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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