[发明专利]基于改进细菌觅食算法的多机器人协作气味源定位方法

摘要

本发明公开了一种基于改进细菌觅食算法的多机器人协作气味源定位方法，该方法包括以下步骤烟羽发现阶段，在机器人未测得气味烟羽时，将整个工作空间利用Voronoi图方法划分为多个区域，每个机器人在各自的工作区域中执行随机烟羽搜索策略；烟羽跟踪阶段，当机器人检测到气味烟羽时，采用改进细菌觅食算法确定机器人下一步搜索方向，实现气味的自动跟踪；气味源确认阶段，根据机器人所在位置测得的气味浓度值和机器人的位置变化范围，判断确定气味源的位置。本发明实现了多机器人分布式协作快速定位气味源，显著提高了气味源搜寻的效率和气味源定位的精度，可应用于有害/有毒气体检测、灾后搜索和营救等场合。

主权项

一种基于改进细菌觅食算法的多机器人协作气味源定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：烟羽发现阶段：机器人利用气味传感器在工作空间内检测所需搜索的气味烟羽，在机器人未测得气味烟羽时，将整个工作空间利用Voronoi图方法划分为多个区域，每个机器人在各自的工作区域中执行随机烟羽搜索策略；烟羽跟踪阶段：当机器人检测到气味烟羽时，采用改进细菌觅食算法确定机器人下一步搜索方向，实现气味的自动跟踪；烟羽确认阶段：根据机器人测得的气味浓度值和机器人的位置变化范围，判断确定气味源的位置；其中，所述烟羽跟踪阶段中的改进细菌觅食算法，是将每个机器人看作一个细菌，机器人所测气味浓度值作为细菌的适应值，包括有如下步骤：a.趋化操作，具体方法是：设定细菌θi当前位置为个体引导者，菌群发现的最优位置为全局引导者；其中，θi表示第i个细菌；在烟羽跟踪前期，利用随机产生的方向向量作为细菌的运动方向，根据趋化性操作公式更新细菌的位置；其中，所述趋化性操作公式为：θi(j+1,k,l)=θi(j,k,l)+S(i)Δ(i,j)(Δ(i,j))TΔ(i,j)]]>其中，θi(j,k,l)表示第i个细菌在第j次趋化、第k次复制、第l次驱散操作后的位置；S(i)表示细菌前进的单位步长；△(i,j)表示第i个细菌在第j次趋化中随机产生的方向向量；在烟羽跟踪后期，根据个体引导者和全局引导者的微粒速度更新公式产生细菌的运动方向；其中，所述个体引导者和全局引导者的微粒速度更新公式为：Vi(j+1,k,l)＝ωVi(j,k,l)+c1r1(Pi(j,k,l)‑θi(j,k,l))+c2r2(Gi(j,k,l)‑θi(j,k,l))其中，ω为惯性权重；c1和c2为学习因子；r1和r2是[0,1]之间的随机数；Pi(j,k,l)表示第i个细菌在第j次趋化、第k次复制、第l次驱散操作后的个体引导者；Gi(j,k,l)表示第i个细菌在第j次趋化、第k次复制、第l次驱散操作后的全局引导者；Vi(j)细菌翻转后的运动方向；根据细菌旋转运动方向利用改进趋化性操作公式更新细菌的位置；其中，所述改进趋化性操作公式为：θi(j+1,k,l)=θi(j,k,l)+S(i)Vi(j+1,k,l)(Vi(j+1,k,l))TVi(j+1,k,l)]]>判断细菌θi的先前位置θi(j,k,l)与新生位置θi(j+1,k,l)之间是否有障碍物，若无障碍物，则机器人直接移向新生位置；若有障碍物，则采用人工势场法引导机器人移向新生位置；根据新生位置机器人所测气味浓度值，更新细菌θi的个体引导者和全局引导者；b.复制操作，具体方法是：将N个细菌按照健康度进行排序；其中，所述健康度公式为：H(i)=Σj=1Nc+1Ji(j,k,l)]]>其中，Ji(j,k,l)表示第i个细菌在第j次趋化操作时的气味浓度值；根据排序后健康度，保留健康度较好的N/2个细菌，健康度较差的N/2个细菌执行交叉操作；其中，所述交叉操作公式为：θm(j,k+1,l)＝αθm(j,k,l)+(1‑α)θn(j,k,l)其中，α是[0,1]之间的随机数；θm(j,k,l)和θn(j,k,l)分别为健康度较差的细菌和健康度较好的细菌；判断细菌θm的先前位置θm(j,k,l)与新生位置θm(j,k+1,l)之间是否有障碍物，若无障碍物，则机器人直接移向新生位置；若有障碍物，则采用人工势场法引导机器人移向新生位置；根据新生位置机器人所测气味浓度值，更新细菌θm的个体引导者和全局引导者；c.迁徙操作，具体方法是：对于细菌θi，如果满足迁徙操作条件rand()<Ped，执行随机翻转运动；否则，保持当前个体不变；其中，rand()是[0,1]之间的随机数；Ped是给定迁徙概率。