【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空气环境健康与安全领域，涉及一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统及方法。
技术介绍
1、空气污染被认为是当前对人类健康和福祉的最大环境威胁。长期处于受污染的室内空气环境中，人体可能产生病态建筑综合病、建筑并发症和对多种化学污染物过敏等疾病。除了健康问题外，室内污染物还可能引发的各类突发事件，如粉尘爆炸、生物实验室细菌丢失和泄漏和生化恐怖袭击等。因此，准确、快速定位室内污染源位置是及时采取有效控制和治理措施的重要前提。
2、现有技术中，主动追踪污染源根据机器人数量可分为单机器人溯源方法和多机器人溯源方法。单机器人溯源方法，通过模仿自然界中生物的行为，利用浓度梯度信息，或者融合风速信息进行污染源追踪，主要包括浓度梯度方法、仿生方法。专利公开号cn109540141a的中国专利，公开了一种污染源定位移动机器人及污染源定位方法，通过在单台机器人上搭载传感器阵列来提高污染源定位的主动性和搜索效率。但此类方法定位效率不够理想，且不能满足现实紧急情况下的需求。
3、与单机器人溯源方法相比，多机器人溯源方法具有鲁棒性强、搜索效率高和可扩展性强等优点。多机器人协作定位污染源的方法是将群体智能技术运用在烟羽跟踪阶段，但这些群体智能方法普遍存在机器人过早陷入局部收敛的情况。专利公开号cn111400921a的中国专利，公开了一种基于apf-pso算法的污染源定位方法，通过环境浓度和自身能量控制移动节点不断向污染物浓度大的区域移动。但在室内湍流环境下，污染物瞬时浓度值波动剧烈，而且越靠近污染源，瞬时浓度值的波
4、多机器人系统通常采用无线网的通信方式，以实现共享信息、协调活动和报告状态，从而避免碰撞和冗余搜索的发生。数据信息在机器人-机器人、机器人-中央控制器之间传输处理，或是由机器人自行进行数据处理，这种复杂的模式会增加系统故障的风险，同时也要求机器人设备必须具备更高的性能，但这也伴随着更高的成本。专利公开号cn110653831a的中国专利，公开了一种用于地下综合管廊的多寻味机器人的危险气体泄漏源定位系统，该系统中每个寻味机器人单独配备主机控制板和pc机，进行通信获取数据信息。在这一背景下，本专利技术弥补了现有技术的不足。
技术实现思路
1、本专利技术实施例针对现有技术的不足之处，开发机器人与远程计算机单独通信、远程计算机共享信息的多机器人系统；以改进的粒子群优化算法为理论基础，融合源置信度sc的源特征指标，设计多机器人协作定位室内污染源方法，提出一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统及方法。源特征指标是一种可反映与源位置的距离的指标。其特点在于离源的距离越小，源特征值越大。反之，离源的距离越大，源特征值越小。源置信度sc则是综合了采样时间内的平均值，峰值和bout数的一个源特征指标。
2、该系统和方法实现了室内污染源定位过程的实时监测，便于后续分析源定位进程以及在不同场景下的快速移植；降低了系统的复杂度并提高了容错率，提高了多机器人的运行效率；弥补了现有源定位技术的不足，在保证多机器人系统具有较高的成功率的同时，提高了污染源定位效率。
3、本专利技术实施例提供了一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述系统包括：多台用于采集环境参数的移动机器人和一台远程计算机。
4、进一步地可选的，所述用于采集环境参数的移动机器人包括：环境参数采集模块、移动模块和信息处理与传输模块；其中，所述环境参数采集模块由风速风向仪和污染物浓度传感器组成，用于采集室内气流信息和污染物浓度；所述移动模块由激光测距雷达和移动底盘组成，用于机器人的定位、导航、避障以及移动控制；所述信息处理与传输模块由工控机和无线网络组成，用于机器人与远程计算机进行通信和数据传输。
5、进一步地可选的，所述远程计算机与每台用于采集环境参数的移动机器人通过无线网络单独通信传输数据；所述远程计算机汇总数据并进行处理，通过无线网络与每台参数采集机器人共享当前信息以及发送下一目标的移动指令；所述用于采集环境参数的移动机器人接收所述远程计算机的移动指令后自主移动到目标点，采集其所在位置的气流信息和污染物浓度并将采集信息通过无线网络传输给远程计算机。
6、本专利技术实施例还提供了一种融合源特征指标的室内多机器人源定位方法，其特征在于，在基于引入逆风项形成的改进粒子群优化算法，融合源置信度sc的源特征指标，并结合所述室内多机器人源定位系统定位室内污染源。所述方法包括以下步骤：
7、步骤1：根据实际场地情况和应用要求，设置源定位的初始化参数，具体包括：设置用于采集环境参数的移动机器人ri的起始位置、移动次数和进入局部极值区域的判断条件，多机器人系统的烟羽发现阈值scth1和源确认阈值scth2。
8、步骤2：烟羽发现，用于采集环境参数的移动机器人ri在初始位置呈不同角度，以相同速度直线移动搜索，远程计算机根据用于采集环境参数的移动机器人ri检测到的污染物浓度计算源特征值sc。源特征值sc计算的具体方法是：
9、(1)利用高斯核卷积对传感器采集到的信号s进行低通滤波，去除高频噪声：
10、σ＝f×σsmooth
11、ssmooth＝s×gσ
12、其中，σ为高斯标准偏差，f为传感器采样频率，s为传感器采集到的信号，gσ表示高斯核的宽度。
13、(2)对处理过的信号求导：
14、xt＝st-st-1
15、其中，st是t时刻的信号值。
16、(3)利用半衰期τhalf的指数加权移动平均值计算处理后的信号yt：
17、
18、yt＝(1-α)×yt-1+α(xt-xt-1)
19、其中α是指数加权移动平均值，τhalf表示半衰期，δt为时间步长。
20、(4)定义上升部分为bout，对yt求导：
21、y′t＝yt-yt-1
22、(5)定义变量bt：
23、
24、bout的特征在于y′t大于或者等于0。如果在t时刻检测到bout，则bt为1，如果没有检测到bout，则bt为0。
25、(6)计算源特征值sc：
26、sc＝λ×μ+(1-λ)×bouts×p
27、其中sc表示源置信度，综合了采样时间内的平均值、峰值和bout数，λ为权重因子，bouts为bout数；p为浓度峰值。
28、判断源特征值sc是否大于烟羽发现阈值scth1。如果是，执行步骤3；如果否，继续执行步骤2。
29、步骤3：烟羽追踪，远程计算机根据用于采集环境参数的移动机器人ri传输的气流信息和计算得到的源特征值，利用改进粒子群优化算法进行下一个目标点的计算并更新机器人局部最优位本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述系统包括：多台用于采集环境参数的移动机器人和一台远程计算机。
2.根据权利要求1所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述用于采集环境参数的移动机器人包括：环境参数采集模块、移动模块和信息处理与传输模块；其中，所述环境参数采集模块由风速风向仪和污染物浓度传感器组成，用于采集室内气流信息和污染物浓度；所述移动模块由激光测距雷达和移动底盘组成，用于机器人的定位、导航、避障以及移动控制；所述信息处理与传输模块由工控机和无线网络组成，用于机器人与远程计算机进行通信和数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述远程计算机与每台用于采集环境参数的移动机器人通过无线网络单独通信传输数据；所述远程计算机汇总数据并进行处理，通过无线网络与每台参数采集机器人共享当前信息以及发送下一目标的移动指令；所述用于采集环境参数的移动机器人接收所述远程计算机的移动指令后自主移动到目标点，采集其所在位置的气流信息和污染物浓度并将采集信息通过无线网络传输
4.一种融合源特征指标的室内多机器人源定位方法，其特征在于，在基于引入逆风项形成的改进粒子群优化算法上，融合源置信度SC的源特征指标，并结合所述室内多机器人源定位系统定位室内污染源，具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位方法，其特征在于，所述步骤3判断是否进入局部极值区域，进一步为，判断是否满足条件：全局最优位置X*(t)在连续的X次移动中位置变化不超过M m；X值和M值根据实际场地情况和应用要求进行相应设置。
6.根据权利要求4所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位方法，其特征在于，所述步骤5判断是否满足终止条件，进一步为，判断机器人移动步数是否满足不小于N次；N值根据实际场地情况和应用要求进行相应设置。
...【技术特征摘要】
1.一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述系统包括：多台用于采集环境参数的移动机器人和一台远程计算机。
2.根据权利要求1所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述用于采集环境参数的移动机器人包括：环境参数采集模块、移动模块和信息处理与传输模块；其中，所述环境参数采集模块由风速风向仪和污染物浓度传感器组成，用于采集室内气流信息和污染物浓度；所述移动模块由激光测距雷达和移动底盘组成，用于机器人的定位、导航、避障以及移动控制；所述信息处理与传输模块由工控机和无线网络组成，用于机器人与远程计算机进行通信和数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种融合源特征指标的室内多机器人源定位系统，其特征在于，所述远程计算机与每台用于采集环境参数的移动机器人通过无线网络单独通信传输数据；所述远程计算机汇总数据并进行处理，通过无线网络与每台参数采集机器人共享当前信息以及发送下一目标的移动指令；所述用...
【专利技术属性】
技术研发人员：毛虹翼，蔡浩，姜明瑞，张博远，李真锋，徐元，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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