煤矿移动传感网络中机器人的节点规划与控制方法研究

The work safety in mine safety related to China's energy supply and energy safety, and the safety of staffs in mine, which has the important social and economic benefits. The project introducing mobile robots as the nodes of mine mobile sensor networks and aiming at special structures and complicated environment of mines, researches some theories and key technologies, which include the place recognition and estimate for mobile robots based on mines GIS and infrared vision, the cooperative localization among swarm robots based on the measurements and aided by wireless networks, the deployment planning and distributed control scheme for mobile robots based on the Local Virtual Force Principle and Lyapunov Stability Analysis, and the mobile robots’ dynamic coverage planning and distributed control scheme considering the importance of each point in domain and complete coverage for domain. The autonomous planning and distributed control scheme of mobile robot nodes will be built for meeting the nodes self-determinate and self-organization for mobile sensor networks in coal mines.

煤矿安全生产关系到我国能源保障和井下作业人员安全，具有极其重要的社会和经济效益。项目以机器人作为煤矿移动传感网络的节点，针对煤矿井下特殊结构和复杂环境，研究机器人基于煤矿GIS和红外视觉的机器人位置的鲁棒识别与估计、无线网络辅助下基于测量数据的群体机器人合作定位、基于人工虚拟势场和Lyapunov稳定性分析的机器人部署规划及其分布式控制策略、考虑感知覆盖与目标感知覆盖的机器人覆盖规划及其分布式控制策略等理论和关键技术问题。以此形成一套机器人的节点行为自主规划与分布式运动控制方法，实现满足煤矿安全生产需要的移动传感器网络的节点自组织。

项目以移动机器人作为煤矿移动传感网络的节点，将移动传感器网络的基本理论与移动机器人技术相结合，研究节点定位、部署和覆盖的行为规划与控制方法。项目主要的研究内容及成果包括，.（1）针对煤矿井下环境及其巷道结构，提出基于RSSI测距和重叠区概率积分方法的机器人三维坐标计算算法。模拟巷道实验中，在20m的连通半径内，该方法可实现对机器人相对误差小于8%的定位。.（2）引入视觉SLAM方法，重点解决了在缺少网络锚节点的情况下机器人节点的局域定位问题以及对灾后煤矿巷道不确定环境进行建图问题。相关方法的可行性在模拟巷道环境得到初步验证。.（3）针对无线传感网络节点在随机部署时存在高聚集度低覆盖率问题，提出了基于改进灰狼优化算法和多目标综合优化的覆盖策略。较传统灰狼算法，该方法可提高节点在部署中的覆盖速度，且网络平均覆盖率提高约3.2%。.（4）为提高煤矿井下局部网络抗破坏能力和自修复能力，提出了一种三级节点部署方法，通过提高区域节点部署密度和节点分级的方法提高局部网络的抗破坏能力。设计了一种针对局部网络的受损检测和修复算法，利用网络区间内的移动机器人节点实现网络检测和自修复。煤矿巷道模拟实验结果表明，经修复后的网络连通率达到90%，各区间实现100%的修复。.（5）重点研究了单机器人和多机器人路径规划问题。提出将社群势场、行为势场及防堵势场相综合的改进势场法，较传统人工势场方法，该方法可有效减少多机器人的碰撞、降低全局拥堵风险，机器人平均部署时间相对缩短65.5%，碰撞次数相对减少了约70%。提出基于势流理论的改进势场方法，该方法可有效解决局部极小点问题，且能对多种固定和移动障碍物进行避障，较传统人工势场方法，该方法可将收敛速度提高约21.7%，且可获得更为优化的运动轨迹。提出基于改进的蜻蜓算法的路径规划算法，较传统算法，该方法获得的路径更为平稳和快捷，其平均路径长度减少22.3%，平均转角增大了约7.8%。