基于气味实测的机器人气味源搜索方法技术

本发明专利技术公开了一种基于气味实测的机器人气味源搜索方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：气味发现和起步阶段，机器人利用气味探测装置检测到所需搜索的气味；根据机器人检测到的气味在不同方向的气味浓度差异初步判断气味源方向；按照初步判断的气味源方向开始行走；气味跟踪阶段，根据机器人测得的气味浓度情况和气味浓度的复归程度调整步长持续行走；气味源定位阶段，机器人以固定步长变化率或动态步长变化率调整步长持续行走。该方法既具有并扩展了气味发现功能，又改善了气味跟踪性能，并增加了气味源定位功能，在机器人气味搜索方面具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人依靠主动嗅觉搜索目标的六边形路径
，具体 涉及了一种及其应用。机器人依靠主动嗅觉搜索目标的研究在近几年得到迅速发展。利用移动 机器人搜索有毒有害的气味源，在救灾、抢险乃至反恐、安全等领域有着广 阔的应用前景。Holland和Melhuish于1996年在Cambridge: MIT Press 杂志提出了机器人模仿真蜗虫行为的Z形路径跟踪策略。接着，Lilienthal 在2003年Proceedings of American Mathematical Society杂志根据雄蛾寻 觅雌蛾的行为，提出发散正弦波接圆周路径的发现和跟踪策略。这两种策略 的机器人跟踪效率不髙，鉴于此Russell又提出六边形路径跟踪策略，弥补 了前两种策略的缺陷，并用之进行了地下气味源跟踪试验。Russell在 RoboMole项目中的基于单个嗅觉传感器的机器人六边形路径气味跟踪方法 以及实测数据为根据，以计算机仿真为手段，分析该方法的性能，进一步改 进并完善其方法做必要的前期工作。如图l，根据土壤中气味源自由扩散运动遵循的菲克第二定律，可推得 地表土中气味浓度分布D(x，t)为式(IV)中，erfc()是余误差函数，Do是气味源浓度，U是扩散常数，x 为测点与气味源地面垂直位置O的距离，t为时间。如图2，传统六边形路径方法设机器人利用自身携带的传感器探测地表 土中的气味浓度，在地面按六边形路径跟踪气味，逐步走向气味源浓度增大 方向。机器人在每个路径点(六边形顶点)根据前两个路径点所测浓度和前 一个路径点的转弯方向，决定按顺时针转60。或逆时针转60。再走一步(六 边形边长)，直至机器人与气味源地面垂直位置距离小于步长时停止。通过计算机仿真按照现有技术的方法用其进行气味源搜索，发现机器人
技术介绍
的跟踪过程通常无限长，会在一个包含气味源的大面积区域内漫无目的徘 徊，或者停止在路途中，很少会进入定位阶段。这一现象意味着现有技术中 六边形现有技术方法只能完成气味跟踪任务，不具有可靠的气味源定位功 能。换言之，弥补这些缺陷，找到包括可靠的气味发现和起步、气味跟踪、 气味源定位等功能的方法是本专利技术的由来。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种，该方法 解决了现有技术的搜索方法不能解决的气味源定位问题，也改善了现有技术 的搜索方法的起步和气味跟踪问题。为了解决上述问题，本专利技术提供的技术方案如下一种，其特征在于所述方法包括 以下步骤气味发现和起步阶段，机器人利用气味探测装置检测到所需搜索的气 味；根据机器人检测到的气味在不同方向的气味浓度差异初步判断气味源方 向；按照初步判断的气味源方向开始行走；气味跟踪阶段，根据机器人检测到的气味浓度变化情况和气味浓度的复 归程度，以动态改变的步长变化率，调整步长持续行走；气味源定位阶段，机器人根据检测到的气味浓度的复归程度和变化情 况，以固定步长变化率调整步长持续行走。优选的，所述气味发现步骤中气味探测装置为气体传感器。优选的，所述的气味发现和起步阶段时，机器人采用固定步长以六边形 路径模式行进。优选的，所述气味发现和起步阶段时以固定步长行进的步数为2~6。 优选的，所述气味跟踪阶段调整步长包括机器人实测气味浓度并根据气味浓度的二阶相对差分值判断，机器人即 时调整步长以六边形路径模式跟踪持续行走。优选的，所述气味跟踪阶段按式(I)得到步长变化率k即时调整步长；h"(")-,( ) (I);5其中，D为路径点的气味浓度；n, n-l， n-2为刚完成的行进步序，k 大于O代表浓度在连续三步内的总效果增加，k小于0代表浓度在连续三步 内的总效果减小，k等于O代表浓度在连续三步内的总效果不变；在所述跟踪阶段内持续行走时，其步长按式(II)计算并调整w , +i=(l-A>Vi," (II); 其中，k为步长变化率，m^+!为第n+l步的步长；n, n-l为同上定义。 优选的，所述气味源定位阶段时，机器人以固定步长变化率调整步长，即(l-fe) ,、附,,,"+1=c (111);其中，C为经验值，m^M为第n+l步的步长；n, n-l为刚完成的行 进步序，k,，为刚完成的步序为n时的步长变化率。优选的，所述方法中气味复归程度通过式(IV)来判断，即0.95D(")<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);其中，D为路径点的气味浓度；n， n-6为行进步序，当式(IV)连续3次 满足时，则结束跟踪阶段而进入定位阶段；否则继续跟踪行走。优选的，所述方法还包括气味发现和起步阶段到气味跟踪阶段、气味跟 踪阶段到气味源定位阶段的判断步骤，所述判断步骤包括气味发现和起步阶段时，通过累计行走的步数判断是否需转入跟踪阶 段，当累计步数达到6时，则结束起步阶段而进入跟踪阶段；跟踪阶段时，通过测量并计算气味复归程度判断是否需转入定位阶段， 所述的气味复归程度通过式(IV)来判断，即0.95D(n-6)<=D(n)< =1.05D(n-6) (IV);其中，D为路径点的气味浓度；ii， n-6为行进步序，当式(IV)连续3次 满足时，则结束跟踪阶段而进入定位阶段。优选的，所述方法中当机器人因其行走机构的阻尼而停止行进时，即视 为到达气味源。本专利技术人经长期研究认为，若能够使机器人在搜索过程中根据实测得到的即时气味浓度变化，采取不同的变步长策略，跟踪气味源并最终围绕气味 源有意识地缩聚行走，直至自然停止在地下气味源垂直上方的地面位置，则 这种方法具有气味跟踪和气味源定位双重功能。本专利技术人研究现有技术中六边形路径搜索方法的结果，发现机器人在搜 索的全过程中，其行为有如下特点气味发现起步阶段，机器人是随机选取 方向而起步的，并往往呈现"迂回"行为以找准气味源的大致方向；途中阶 段，机器人夹杂着"绕圈"行为，总体"蜿蜒曲折地"朝着气味源大致方向 行进，时有"绕圈"现象；最后阶段，机器人进行大范围无目的"徘徊"。显然，起步阶段的方向不应随机选取，且"迂回"行为应尽快结束；途 中阶段的"绕圈"和"蜿蜒曲折"既费时又耗能，需要予以消除；最后阶段 的"徘徊"如果能转变成"縮聚"，则可以呈现出定位功能。本专利技术提出基 于实测浓度值的变步长策略，可很好实现这些设想。基于土壤中气味的实际扩散情况和出于本专利技术想要达到的目的，根据机 器人实测的浓度值，选择不同的步长调整策略，执行以下步骤直至因行走机 构的阻尼而自然停止(l)选择可能性最大的气味源方向起步；(2)在起步 阶段，保持初始步长不变，即采用固定步长；(3)在途中阶段，根据即时浓 度的相对变化率和气味的复归程度来调整步长；(4)在最后阶段，根据固定 步长变化率调整步长；(5)以调整后的步长前进一步。本专利技术的技术方案中携带气体传感器的移动机器人通过探测地表土壤 中的气味浓度来搜索土壤中气味源的方法，对传统六边形方法予以改进，解 决了现有技术中六边形方法在气味源定位方面的不足；该改进方法相对于原 方法而言，既扩展了气味发现功能，又改善了气味跟踪性能，还增加了气味 源定位功能，即新方法具有较完整的气味源搜索功能，在机器人气味搜索定 位方面具有广泛的应用前景。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述 图1为现有技术中地表土壤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于气味实测的机器人气味源搜索方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：　气味发现和起步阶段，机器人利用气味探测装置检测到所需搜索的气味；根据机器人检测到的气味在不同方向的气味浓度差异初步判断气味源方向；按照初步判断的气味源方向开始行 走；　气味跟踪阶段，根据机器人检测到的气味浓度变化情况和气味浓度的复归程度，以动态改变的步长变化率，调整步长持续行走；　气味源定位阶段，机器人根据检测到的气味浓度的复归程度和变化情况，以固定步长变化率或动态步长变化率调整步长持续 行走。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王俭，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]