三维时变气流环境下机器人寻踪气味源方法研究

Current researches on tracing odor and localizing its source based on ground vehicles still have such problems as low search efficiencies and high missed-detection rates. To localize hazardous chemical leakage source(s) in a fast, accurate, and reliable way, this study intends to develop in 3D airflow environments using micro-drones. The micro-drones are noted for their great mobility, furthermore, they are not restricted by ground obstacles and have the ability to acquire 3D information. However, due to the extra one-dimensional searching space, the existing 2D research approaches cannot work in 3D space..This study intends to solve this problem via three closely related steps: (odor) finding, (odor) tracing, and (odor source) capture. To improve odor finding efficiencies, the notion of 3D odor distribution likelihood map and its methods are proposed aiming at 3D sparse odor; To improve tracing reliabilities, the idea of estimating the odor patch (i.e., odor puff consisted of multiple odor molecules) path and the related tracing strategies are proposed in consideration of the fact that current sensor techniques and robot mobility cannot adapt to the fast-changing odor plumes (i.e., 3D trajectories formed by the diffusion of odor molecules); To accurately capture the odor source, the expression concept of the odor sources' 3D olfactory features and the source declaration method are proposed..This study can provide scientific support to establish the early-warning and response mechanism for the toxic/harmful-gas-leak accidents, and it has great practical significance for the promotion of harmonious social development and the protection of people's lives and property.

针对现有基于地面移动机器人的气味追踪与源头定位研究存在的搜索效率低、漏检率高等问题，为实现快速、准确、可靠地定位气味泄漏源，本研究拟采用空中移动平台，在三维气流环境下研究此问题。空中移动平台具有速度快、不受地表障碍限制、可获取三维信息等优势。但因多出一维搜索空间，现有方法无法直接使用。.本研究拟通过发现—跟踪—捕获三个紧密相扣的环节解决此问题。为提高发现效率，针对三维稀疏气味，提出了三维气味分布似然图概念与实现方法；为提高跟踪可靠性，考虑到现有传感技术和机器人机动特性无法适应快速变化的气味烟羽（即所有分子扩散形成的三维空间轨迹），提出了气味包（即多个气味分子形成的气味团）路径的估计思想与跟踪策略；为准确捕获源头，提出了气味源的三维嗅觉特征表达思想与确认方法。.此研究可为毒害气体泄漏事故预警和应急处理机制的建立提供科学支撑，对保障人民生命及财产安全，促进经济社会和谐发展具有重大现实意义。

在有毒害气体发生泄漏的情况下，快速、准确、可靠地确定事先未知的泄漏源位置对后续的合理处置和抢救至关重要。受湍动气流影响，三维时变气流环境下的气味分布呈现稀疏特性，现有基于地面移动机器人的气味追踪与气味源定位研究存在搜索效率低、漏检率高等问题。为实现快速、准确、可靠的三维气味泄漏源定位，本项目围绕空中机器人平台（旋翼无人机为主），开展在三维时变气流环境下气体泄漏源定位问题研究。.本项目通过三维环境下气味“发现—跟踪—捕获”三个紧密相扣的环节开展研究，针对三维空间烟羽发现问题，提出两种随机行走方法和三维螺旋遍历烟羽发现方法，提高三维空间烟羽发现效率；针对三维空间气味包扩散轨迹估计和追踪，提出基于到达时间差的气味来源方向推理等方法，并将此方法应用到旋翼无人机上进行气味烟羽跟踪研究；针对三维环境下气味源确认问题，在对气味源进行嗅觉特征表达的基础上，提出基于质量散度、质量通量的三维气味源确认方法。.同时，本项目针对旋翼无人机旋翼尾流对气味分布的影响，提出了气动嗅觉效应的概念，并结合自由涡丝方法提出旋翼气动嗅觉效应的数值计算模型和并行计算方法；针对旋翼无人机风矢量信息获取的问题，提出两种旋翼无人机风矢量在线估计方法，即基于空气动力学和基于扩张状态观测器的风估计方法。.围绕理论研究成果，项目组设计开发了一系列具有实际应用价值的软硬件平台，包括已成功应用在工业现场的天然气泄漏源巡检无人机平台，以及面向旋翼无人机的三维主动嗅觉仿真平台等。本项目研究成果为毒害气体泄漏事故预警和应急处理机制的建立提供科学支撑，对于保障生命及财产安全、促进经济社会的和谐发展具有重大现实意义。