[发明专利]一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置

权利要求书

1.一种基于气体浓度梯度驱动的气体源定位装置，其特征在于，包括机器人移动平台以及同时置于其上的主控制器、传感器阵列模块、传动机构模块和人机交互模块；

主控器同时与传感器阵列模块、传动机构模块、人机交互模块和机器人移动平台连接；传感器阵列模块与传动机构模块连接；

传感器阵列模块包括平板、电路接口和气体传感器；电路接口为绕点O圆周均匀分布在所述平板上的插槽或插孔；所述插槽或插孔连接同种或异种型号气体传感器，同种型号气体传感器的数量大于等于1，且当其大于1时沿圆周均匀排列；

气体传感器用于实时检测所处区域的气体浓度并发送至主控器；

传动机构模块用于在主控器的控制下绕点O水平旋转和垂直旋转传感器阵列模块的平板；

机器人移动平台用于在主控器的控制下带动装置整体沿地面移动；

人机交互模块用于设定系统参数以及在主控器的控制下呈现提示信息；

主控器用于采用自动搜寻算法进行气体源的自动搜寻任务；自动搜寻算法的主流程如下：

(1)开始；

(2)系统初始化；

(3)调整传感器阵列模块的平板使其与地面平行，控制机器人移动平台在所监控区域内随机移动，检测所有气体传感器的实时数据；

(4)判断是否存在气体传感器检测到的气体浓度值超过预设的安全阈值，如果是，则通过人机交互模块发出提示警报后进入下一步；反之，则返回步骤(3)；

(5)判断超过预设的安全阈值的气体是否仅一种，如果是，则直接将其作为目标气体，进入下一步；反之，则比较所有超过预设的安全阈值的气体的优先级，将优先级最高的气体作为目标气体后，进入下一步；

(6)通过变角度追踪算法搜寻并逐步靠近气源点；

(7)通过气体源位置锁定算法锁定气源点的位置；

(8)通过疑似气源点剔除算法搜寻气源点；

(9)机器人移动平台移动至气源点极近位置处后绕点O水平旋转和垂直旋转传感器阵列模块的平板，检测所处位置三维空间内的气体浓度梯度方向，并报送气体源的三维位置信息；

(10)判断是否接收到结束任务指令，如果是，则结束；反之，则返回步骤(3)；

变角度追踪算法的流程如下：

(a1)进入子程序；

(a2)令i＝0；

(a3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，v为目标气体对应的气体传感器的个数，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值G_i，确定检测到G_i值的传感器编号S_x，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器S_x停止在检测到G_i值的位置处；

(a4)以起点为点O且过S_x的射线方向为气体浓度梯度方向θ_i；

(a5)驱动机器人移动平台沿着θ_i方向前行前进距离S；

(a6)令i＝i+1；

(a7)更新传感器S_x在当前位置处检测到的气体浓度G_i；

(a8)判断G_i＜G_i-1是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则继续驱动机器人移动平台沿着θ_i-1方向前行距离S后，返回步骤(a7)；

(a9)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，更新当前位置处检测到的气体浓度最大值G_i，更新检测到G_i值的传感器编号S_x，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器S_x停止在检测到G_i值的位置处；

(a10)以起点为点O且过S_x的射线方向为气体浓度梯度方向θ_i；

(a11)判断G_i＞G_t是否成立，或者是否遇到障碍物，如果是，则返回方向值θ_i，返回主程序；反之，则沿θ_i方向前进距离S后，返回步骤(a6)；

气体源位置锁定算法的流程如下：

(b1)进入子程序；

(b2)在当前位置以变角度追踪算法返回的方向值θ_i为x轴正方向，建立y轴平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；

(b3)驱动机器人移动平台沿y轴方向前行距离S；

(b4)令i＝i+1；

(b5)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值G_i，更新检测到G_i值的传感器编号S_x，再次绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板使的传感器S_x停止在检测到G_i值的位置处；

(b6)计算当前位置气体浓度梯度方向变化值θ_r；

(b7)通过几何运算计算确定气源点位置坐标(X_g,Y_g)，其位置坐标计算公式如下：

X_g＝S×tan(90°-θ_r)；

Y_g＝0；

(b8)返回主程序；

疑似气源点剔除算法的流程如下：

(c1)进入子程序；

(c2)驱动机器人移动平台行进至(X_g,Y_g)位置极近处；

(c3)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值G_g；

(c4)以(X_g,Y_g)为原点，建立x轴与y轴都平行于地面且中心为点O的实时直角坐标系；

(c5)令j＝0；

(c6)驱动定位装置移动到位置(X_j,Y_j)处，(X_j,Y_j)位置坐标按照如下公式计算：

X_j＝X_g+R×cos(j×θ_c)；

Y_j＝Y_g+R×sin(j×θ_c)；

其中，R和θ_c为系统预设值；

(c7)在当前位置绕点O水平旋转传感器阵列模块的平板，水平旋转的角度≥360°/v，搜寻出当前位置处检测到的气体浓度最大值G_j；

(c8)判断是否(X_j,Y_j)的任意位置处存在G_jG_g，如果是，则更新(X_g,Y_g)坐标位置为(X_j,Y_j)，返回步骤(c2)；反之，则进入下一步；

(c9)判断j≥360/θ_c是否成立，如果是，则进入下一步；反之，则令j＝j+1，返回步骤(c6)；

(c10)确认位置(X_g,Y_g)为所搜寻的气源点；

(c11)返回主程序。