第35卷第10期自动化学报Vol.35,No.102009年10月ACTAAUTOMATICASINICAOctober,2009时变流场环境中机器人跟踪气味烟羽方法李吉功1孟庆浩1李飞1蒋萍1曾明1摘要机器人对气味烟羽的可靠跟踪是实现气味源定位的关键.本文主要针对实际时变流场环境中的机器人跟踪气味烟羽问题进行研究.文中在机器人测得气味时估计气味包的最大可能路径,在此基础上结合流向信息,规划搜寻路径并使机器人沿此路径运动以跟踪气味烟羽.考虑到气味浓度场的时变特性以及可能存在的基本浓度,采用浓度相对变化量表征气味信息.室内时变流场环境实验表明,使用本文所提方法的机器人可实时、有效地跟踪烟羽并趋向气味源.关键词移动机器人,主动嗅觉,时变流场,烟羽跟踪中图分类号TP24TracingOdorPlumebyRobotinTime-variantFlow-fieldEnvironmentsLIJi-Gong1MENGQing-Hao1LIFei1JIANGPing1ZENGMing1AbstractThereliableplumetracingisacriticalissuefortheimplementationofodorsourcelocalization.Thispaperaddressestheproblemoftracingplumebyamobilerobotinrealtime-variantflow-fieldenvironments.Anestimatimationofthemostlikelypathtakenbytheodorpatchistobedonewhenevertheodorpatchisdetectedbythegassensormountedonthemobilerobot.Subsequently,asearchingpathiscalculatedandfollowedbythemobilerobottotracetheodorplumewithconsiderationofthelikelyodorpathestimatedandtheflowdirectionatcurrenttime.Therelativechangeofodorconcentrationisadoptedastheconcentrationfieldistime-variantandmighthaveacommonfoundationalconcentration.Theexperimentresultintheindoortime-variantairflow-fieldenvironmenthasshowthatthemobilerobotcanbeeffectivelyguidedinrealtimewiththeproposedmethodintracingplumeandreachingtheodorsource.KeywordsMobilerobot,activeolfaction,time-variantflowfield,plumetracing很多生物利用气味信息完成求偶、觅食和信息交流等活动.受到这一启发,一些学者自上世纪90年代开始尝试采用移动机器人结合气体传感器等器件模拟自然生物的这一功能[1].国外将此研究称为化学烟羽跟踪[2]或气味源定位[3],国内将机器人利用机载的传感器结合适当的搜索策略完成气味烟羽的发现、跟踪和最终确认气味源的整个过程称为机器人主动嗅觉[4].主动嗅觉是通过移动机器人“主动”地发现、跟踪气味烟羽,并最终确定气味源所在位置的过程.烟羽是从气味源释放的分子团被气流(风)吹散以后像羽毛一样在空气中飘扬形成的轨迹[5].机器人主动嗅觉的研究成果有望在不远的将来被用于有毒/有害气体泄漏检测、火源探测、灾后倒塌建筑物搜救和反恐排爆等领域.Hayes等[6]将主动嗅觉简化描述为如何使用移收稿日期2008-08-20收修改稿日期2009-03-20ReceivedAugust20,2008;inrevisedformMarch20,2009国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA04Z219),国家自然科学基金(60875053,60802051)和新世纪优秀人才支持计划资助SupportedbyNationalHighTechnologyResearchandDe-velopmentProgramofChina(863Program)(2007AA04Z219),NationalNaturalScienceFoundationofChina(60875053,60802051),andtheProgramforNewCenturyExcellentTalentsinUniversity(NCET)1.天津大学电气与自动化工程学院天津3000721.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinUniversity,Tianjin300072DOI:10.3724/SP.J.1004.2009.01327动机器人在一个封闭的二维空间内有效搜寻单个气味源的问题,并将整个过程分解为3个子任务,即烟羽发现(Plumefinding)、烟羽横越(Plumetraver-sal)和气味源确认(Odorsourcedeclaration).Li等[7]则将该问题简化并分解为4个子任务并配以相应的行为模式:烟羽发现(Findingaplume)、烟羽跟踪(Tracingtheplume)、烟羽再发现(Reac-quiringtheplume)和气味源确认(Declaringthesourcelocation).烟羽发现是机器人在搜寻开始或长时间没能测得气味信息时使用的某种路径或运动规划,以使机器人尽快接触气味烟羽.烟羽横越或烟羽跟踪是机器人在已经发现气味烟羽情况下所进行的机器人路径或运动规划,以使机器人能高效、快速地接近...
