基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法与流程

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法。


背景技术：

2.石化场站是指以石油、天然气及其它产品为原料通过石化设备进行分离。液化等操作而存储输运的场所,石化生产主要由原料处理、化学反应及产品精制三大工艺过程构成，原料经预处理满足加工要求，再通过复合化学反应制得高质量产品。为满足生产介质及工艺过程的多样化需求,石油炼制及加氢裂化等生产环节通常要求设备多元化、功能多样化及输出最大化,故对石化设备性能与工况提出了严格要求。
3.石化设备通常面临不同压力及温度、多介质的工况条件。由于生产介质具有强腐蚀、易燃易爆及有毒有害等特性，当设备长期高负荷运行或超出阈值时，设备强度、塑性及韧性等力学性能与耐腐蚀、抗氧化等化学性能将逼近最大承载值,对设备造成不可逆变化,增加企业设备成本。
4.生产介质易燃﹑易爆及有毒等特性极易造成泄露安全事故。石化场站因占地面积大，生产设备类型复杂及数量庞大，电气设备运行时极易产生电火花、撞击火花等可燃源，当介质泄漏达到一定浓度时，因可控性低一旦接触可燃源即会造成火灾爆炸事故,造成巨大损失。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法，用于通过多引导机器人实现气体泄漏区域的确定，并在多引导机器人的引导下使任务机器人到达气体泄漏区域进行泄漏的早期控制。
6.本发明公开了一种基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法，包括：
7.由多个引导机器人组成的探测群组在搜索空间中进行气体泄漏探测；在同一气体泄漏区域内探测到气体泄漏的多个引导机器人，通过机器人的位置移动分布于泄漏点的整个的气体泄漏区域内，并通过引导机器人自身发出灯光指示信号的强弱来表征探测的机器人所在的区域点气体浓度强弱；在空间中通过灯光指示出气体泄漏区域的范围；
8.任务机器人在引导机器人的灯光指示信号引导下进行视觉图像导航定位，行进至气体泄漏区域后，进行气体泄漏的早期控制。
9.进一步地，所述任务机器人与气体泄漏区域内的引导机器人建立无线通信链路；在任务机器人视觉图像信号丢失后，通过无线通信链路的信号强度进行信号强度指示测距；根据对气体泄漏区域内的多个引导机器人的测距，进行任务机器人的二次定位。
10.进一步地，所述信号强度指示测距中，rssi值的表达式为rssi＝a-10nlg(d)；a为在单位距离d0处的信号强度；n为信号衰减因子；d为发射节点到接受节点的距离。
11.进一步地，所述由多个引导机器人组成的探测群组在搜索空间中进行气体泄漏探
测的方法，包括：
12.探测群组内的多个引导机器人预先随机分布于搜索空间中，每个引导机器人均具有气体浓度感知功能，并将感知的气体浓度通过灯光亮度值进行标识；
13.引导机器人感知其所在空间位置的泄漏气体浓度，对标识感知气体浓度的灯光亮度值进行更新；
14.引导机器人根据与群组内其他引导机器人的距离，将灯光亮度值进行折算得到亮度值分发量，分发到对应的引导机器人，距离越远亮度值分发量越小；
15.每个引导机器人根据自身感知气体浓度得到的灯光亮度值和接收到的群组内其他引导机器人发送的亮度值分发量，进行机器人配对，确定出与自身进行配对的引导机器人；
16.在确定出与自身进行配对的引导机器人后，朝向该配对的引导机器人移动，更新机器人自身位置；
17.通过群组中引导机器人的位置更新，使群组内的多个引导机器人的空间位置遍布在气体的泄漏区域。
18.进一步地，所述引导机器人通过搭载的气体传感器感知气体浓度；并将感知气体浓度值通过电信号转换为灯光亮度值；
19.当前时刻t探测到气体泄漏的第i个引导机器人更新的灯光亮度值xyi(t)＝max{0,b1·
xyi(t-1) b2·
f(t)}；式中，xyi(t-1)为上一时刻第i个引导机器人的灯光信号强度值，fi(t)为第i个引导机器人在当前时刻t所探测的泄露气体浓度值；b1和b2为常量，并满足0≤b1≤1和b2＞1。
20.进一步地，当前时刻t第i个引导机器人对群组内的第j个引导机器人的灯光亮度值分发量：
[0021][0022]
式中，i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,n，k＝1,2,
…
,n，i≠k；d
ij
是第i个引导机器人与第j个引导机器人之间的欧氏距离，n为群组内机器人的数量。
[0023]
进一步地，所述引导机器人为仿生飞行昆虫机器人，能够在狭小空间内飞行；
[0024]
仿生飞行昆虫机器人体内搭载的气体传感器，机器人的尾部设置气体浓度指示灯；所述仿生飞行昆虫机器人设有用于与群组内机器人之间以及与任务机器人之间建立数据通信链路的zigbee模块。
[0025]
进一步地，所述仿生飞行昆虫机器人为蝴蝶式机器人，包括主躯干、翅膀驱动组件与翅膀组件；主躯干内搭载的气体传感器，主躯干的尾部设置气体浓度指示灯。
[0026]
进一步地，所述任务机器人包括多个行走机器人和一个移动灭火剂基站；
[0027]
所述多个行走机器人中的一个为领航机器人，其他行走机器人为跟随机器人；
[0028]
所述跟随机器人通过牵引绳和消防管道依次连接，最后一个跟随机器人通过牵引绳和消防管道与移动灭火剂基站连接；第一个跟随机器人通过牵引绳与领航机器人连接；每个所述跟随机器人均搭载灭火剂喷射头，并通过消防管道将灭火剂喷射头与移动灭火剂
基站连接；
[0029]
领航机器人，用于在多引导机器人的引导下牵引跟随机器人和移动灭火剂基站到达泄漏点附近；
[0030]
所述跟随机器人，用于在到达泄漏点附近后，排成灭火队形，通过搭载的所述灭火剂喷射头向泄漏点喷射灭火剂，对气体泄漏进行早期控制，防止气体发生燃烧；
[0031]
所述移动灭火剂基站，用于向跟随机器人输送灭火剂。
[0032]
进一步地，所述多个行走机器人均为球形-六足变形机器人；在导航至气体泄漏区域的过程中，领航机器人展开为六足机器人，跟随机器人保持为球形；在领航机器人的牵引下，球形的跟随机器人和移动灭火剂基站向气体泄漏区域移动；在到达泄漏点附近后，跟随机器人排成灭火队形，展开为六足机器人将灭火剂喷头伸出，对准气体泄漏区域喷射灭火剂。
[0033]
本发明至少可实现以下有益效果之一：
[0034]
本发明的基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法，利用多个引导机器人实现泄漏气体空间区域确定和指示；并在多引导机器人的导航下使任务机器人到达气体泄漏区域；实现对气体泄漏的早期控制。
[0035]
本发明使引导机器人按照泄漏气体浓度大小分布进行排布，并按照气体浓度大小进行泄漏指示灯亮度控制，形成从泄漏点的中心到泄漏边缘由亮到暗的气体泄漏空间区域指示，实现对泄漏区域的报警和泄漏区域的指示。
[0036]
本发明的任务机器人，基于视觉图像导航定位和基于信号强度指示测距定位，两种定位方式对任务机器人进行导航定位，确保任务机器人被引导到气体泄漏区域。
[0037]
采用包括蝴蝶式机器人在内的仿生飞行昆虫机器人进行探测和空间区域确定，便于在石化场站管路复杂的区域中的狭小空间通行的停留，以确定泄漏气体的空间区域。
附图说明
[0038]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0039]
图1为本发明实施例中的基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法流程图；
[0040]
图2为本发明实施例中的用于空间区域确定的多机器人探测方法流程图。
[0041]
图3为本发明实施例中的为蝴蝶式机器人的顶视图；
[0042]
图4为本发明实施例中的为蝴蝶式机器人的侧视图；
[0043]
图5为本发明实施例中的为蝴蝶式机器人的前视图；
[0044]
图6为本发明实施例中的为蝴蝶式机器人的立体图；
[0045]
图7为本发明实施例中的一个蝴蝶式机器人探测到气体泄漏的示意图；。
[0046]
图8为本发明实施例中的任务机器人进行二次定位示意图。
[0047]
附图标记：1-微型舵机，2-炭纤维杆，3-弹性薄膜，4-塑料连接组件，5-翅膀组件，6-翅膀驱动组件，7-主躯干，8-前翅，9-后翅，10-无线传感器，11-微控、供电系统，12-蝴蝶机器人，13-石油气体管道，14-无线传感器，15-警示灯光，16-泄漏气体，17-裂缝，18-引导机器人组，19-任务机器人，20-领航机器人，21-跟随机器人，22-移动灭火剂基站。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
[0049]
本发明的一个实施例公开了一种基于多引导机器人引导的任务机器人的定位方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0050]
步骤s101、由多个引导机器人组成的探测群组在搜索空间中进行气体泄漏探测；在同一气体泄漏区域内探测到气体泄漏的多个引导机器人，通过机器人的位置移动分布于泄漏点的整个的气体泄漏区域内，并通过引导机器人自身发出灯光指示信号的强弱来表征探测的机器人所在的区域点气体浓度强弱；在空间中通过灯光指示出气体泄漏区域的范围；
[0051]
步骤s102、任务机器人在引导机器人的灯光指示信号引导下进行视觉图像导航定位，行进至气体泄漏区域后，进行气体泄漏的早期控制。
[0052]
进一步地，所述任务机器人与气体泄漏区域内的引导机器人建立无线通信链路；在任务机器人视觉图像信号丢失后，通过无线通信链路的信号强度进行信号强度指示测距；通过对气体泄漏区域内的多个引导机器人的测距，进行任务机器人的二次定位。
[0053]
具体的，在步骤s101中的由多个引导机器人组成的探测群组在搜索空间中进行气体泄漏探测的方法，如图2所示，包括
[0054]
s201、探测群组内的多个引导机器人预先随机分布于搜索空间中，每个引导机器人均具有气体浓度感知功能，并将感知的气体浓度通过灯光亮度值进行标识；
[0055]
所述引导机器人通过搭载的气体传感器感知气体浓度，通过搭载的指示灯的灯光亮度值标识本地气体浓度值；
[0056]
s202、引导机器人感知其所在空间位置的泄漏气体浓度，对标识感知气体浓度的灯光亮度值进行更新；
[0057]
具体的，在对气体浓度标识值进行更新中，结合前一时刻的灯光亮度和当前时刻探测的气体泄露浓度值，确定当前时刻灯光亮度值；
[0058]
当前时刻t探测到气体泄漏的第i个引导机器人更新的灯光亮度值xyi(t)＝max{0,b1·
xyi(t-1) b2·
f(t)}；式中，xyi(t-1)为上一时刻第i个引导机器人的灯光信号强度值，fi(t)为第i个引导机器人在当前时刻t所探测的泄露气体浓度值；b1和b2为常量，并满足0≤b1≤1和b2＞1。
[0059]
s203、引导机器人根据与群组内其他引导机器人的距离，将灯光亮度值进行折算得到亮度值分发量，分发到对应的引导机器人，距离越远亮度值分发量越小；
[0060]
当前时刻t第i个引导机器人对群组内的第j个引导机器人的灯光亮度值分发量：
[0061][0062]
式中，i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,n，k＝1,2,
…
,n，i≠k；d
ij
是第i个引导机器人与第j个引导机器人之间的欧氏距离，n为群组内机器人的数量。
[0063]
s204、每个引导机器人根据自身感知气体浓度得到的灯光亮度值和接收到的群组
内其他引导机器人发送的亮度值分发量，进行机器人配对，确定出与自身进行配对的引导机器人；
[0064]
在进行机器人配对时，引导机器人将接收到的群组内其他引导机器人发送的灯光亮度值分发量和自身传感器测量的灯光亮度值一起依照由大到小进行降序排列；选择降序排列中与自身灯光亮度值相邻的前一位的机器人作为配对机器人。
[0065]
其中，机器人配对可用下式表示：
[0066]
xy(i
th
bf)＜xy(j
th
bf)
[0067]
式中，i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,n j≠i；i
th
、j
th
指的是机器人的降序指数，bf指代机器人，将与第i个机器人的降序指数i
th
相邻降序指数j
th
(即降序中相邻的前一位)的机器人与第i个机器人进行配对。
[0068]
s205、在确定出与自身进行配对的引导机器人后，朝向该配对的引导机器人移动，更新机器人自身位置；
[0069]
具体的，向配对机器人移动的目标位置
[0070]
其中，xi(t 1)和xi(t)分别是第i个机器人在下一个时刻和当前时刻的位置；x
l-mate
(t)第i个机器人的配对机器人的当前时刻的位置，bs为机器人的移动步长。
[0071]
s206、通过群组中引导机器人的位置更新，使群组内的多个引导机器人的空间位置遍布在气体的泄漏区域。
[0072]
为实现在一定的空间区域内使机器人能够散开，形成覆盖到整个泄漏气体区域的机器人分布。特别是在石化场站中管路复杂的区域中，通过存在狭小空间进行泄漏气体的空间区域确定，优选的，所述引导机器人为仿生飞行昆虫机器人，能够在狭小空间内飞行；
[0073]
仿生飞行昆虫机器人体内搭载的气体传感器，机器人的尾部设置气体浓度指示灯。
[0074]
述仿生飞行昆虫机器人设有用于与群组内机器人之间以及与任务机器人之间建立数据通信链路的zigbee模块；设置有用于感应光强度的光传感器；设置有用于避障的超声波传感器；设置有用于定位的卫星导航模块和/微型惯导模块。
[0075]
在探测过程中，如果泄漏区域中只有一个泄漏点，在该泄漏点附近有一个仿生飞行昆虫机器人，则该仿生机器人探测到泄漏气体后，通过设置在尾部的气体浓度指示灯指示出泄漏气体的浓度；附近的群组内其他的仿生飞行昆虫机器人，根据接收到的探测到泄漏气体的仿生飞行昆虫机器人的亮度值分发量，朝向该仿生飞行昆虫机器人飞行移动，当其他仿生飞行昆虫机器人飞到泄漏区域后，其搭载的气体传感器探测到泄漏气体后，通过设置在尾部的气体浓度指示灯指示出泄漏气体的浓度；当多个飞行昆虫机器人都探测到泄漏气体，通过相互分发的亮度值分发量和自身感知气体浓度得到的灯光亮度值进行机器人配对，确定出与自身进行配对的机器人，以配对机器人之间相对移动，通过群组中机器人的位置更新，使群组内多个机器人的空间位置遍布在气体的泄漏区域，泄漏区域越大，探测到泄漏气体的仿生飞行昆虫机器人越多，遍布的空间就越大，且位于泄漏区域浓度高位置的仿生飞行昆虫机器人的气体浓度指示灯的亮度更亮，浓度低位置的气体浓度指示灯的亮度低。以此在仿生飞行机器人确定的气体泄漏空间区域中，形成一个从泄漏中心到泄漏边缘
从亮到暗的气体泄漏空间区域指示。
[0076]
在探测过程中，如果泄漏区域中有多个泄漏点，则每个泄漏点附近仿生飞行昆虫机器人最先探测到泄漏气体，通过设置在尾部的气体浓度指示灯指示出泄漏气体的浓度；并向周围的其他仿生飞行昆虫机器人分发亮度值分发量；依照上述的探测过程，会形成围绕每个泄漏点的呈区域的仿生飞行昆虫机器人位置分布，并从每个泄漏点的中心到泄漏边缘从亮到暗的气体泄漏空间区域指示。方便对泄漏区域的报警和泄漏区域指示以及泄漏区域中心指示。
[0077]
优选的，所述仿生飞行昆虫机器人为蝴蝶式机器人，包括主躯干、翅膀驱动组件与翅膀组件；主躯干内搭载的气体传感器，主躯干的尾部设置气体浓度指示灯；
[0078]
其中,翅膀组件包括左翅膀组件和右翅膀组件，分别安装于主躯干前端两侧安装的翅膀驱动组件上，且镜像对称；翅膀组件中，外轮廓通过碳纤维杆弯折后通过塑料连接组件固定成型，构成蝴蝶式机器人的整体骨架，弹性薄膜根据翅膀骨架整体切割而成，并利用粘性胶带固定于翅膀骨架之上，形成弹性翅膀；翅膀组件通过主躯干前部安装的驱动舵机驱动，带动翅膀扑打，转化为飞行的推力和升力，并独立控制双翅的始末相位实现蝴蝶的俯仰及偏航；且通过主躯干后部安装的微控制系统与供电系统，实现仿生蝴蝶扑翼飞行器的控制及供电。
[0079]
如图3、4、5、6所示，为蝴蝶式机器人的顶视图、侧视图、前视图和立体图。
[0080]
采用蝴蝶式机器人，搭载检测石油气体泄露的传感器，在危险源地方附着，当发生泄露时，传感器探测信号，蝴蝶尾部发出可识别的灯光。蝴蝶式机器人上设有无线传感器，通过平台分发指令给100个群体为单位，寻找危险源，检测到危险源时，一个蝴蝶留下，用灯光示意泄露危险的强度，当一群蝴蝶发生同样的灯光亮度时，蝴蝶群体以队形展开寻找泄露源大小，以捕捉危险源扩散大小。见图7。
[0081]
具体的，在步骤s102中，任务机器人在引导机器人的灯光指示信号引导下进行视觉图像导航定位，可采用现有的视觉导航定位方法，以搭载的摄像设备跟踪引导机器人发出的灯光指示信号，进行定位导航，使任务机器人向气体泄漏区域行进。
[0082]
具体的，在任务机器人视觉图像信号丢失后，通过无线通信链路的信号强度进行信号强度指示(rssi)测距的方法中，
[0083]
rssi定位的对数-常态分布模型的数学表达式为：
[0084][0085]
其中d为发射节点(引导机器人)到接收节点(任务机器人)的距离，单位为m；d0为单位距离，通常取1m；p
l
(d)为经过距离d后的路径损耗，p
l
(d0)为经过单位距离后的路径损耗；x0为均值为0的高斯随机数，其标准差范围为4～10；n为信号衰减因子，表示路径损失随距离增加而增大的快慢，当n取值越小时，信号在传播过程中衰减越小，信号就可以传播更远，范围一般为2～4。
[0086]
接收节点(任务机器人)接收到的rssi值表达式如下：
[0087]
rssi＝p
t-p
l
(d)
[0088]
其中p
t
为发射节点的发射功率。
[0089]
由上式可知:p
l
(d0)＝p
t-a；
[0090][0091]
由于d0通常取为1m且x0的均值为0，所以上式简化为：
[0092]
p
l
(d)＝p
t-a 10nlg(d)；
[0093]
则rssi值的表达式为:
[0094]
rssi＝a-10nlg(d)；
[0095]
式中，a为在单位距离d0处的信号强度；n为信号衰减因子；d为发射节点到接受节点的距离。
[0096]
如果接受节点测量到发射节点的信号在其位置的信号强度指示值rssi，根据通过环境参数a和n就可以计算出接收节点到发射节点的距离。
[0097]
利用对于最少三个引导机器人的信号强度指示测距值，通过三边定位法确定出引导机器人的位置。
[0098]
在本实施例的一个具体方案中，如图8所示的任务机器人进行二次定位示意图，所述任务机器人包括多个行走机器人和一个移动灭火剂基站；
[0099]
所述多个行走机器人中的一个为领航机器人，其他行走机器人为跟随机器人；
[0100]
所述跟随机器人通过牵引绳和消防管道依次连接，最后一个跟随机器人通过牵引绳和消防管道与移动灭火剂基站连接；第一个跟随机器人通过牵引绳与领航机器人连接；每个所述跟随机器人均搭载灭火剂喷射头，并通过消防管道将灭火剂喷射头与移动灭火剂基站连接；
[0101]
领航机器人，用于在多引导机器人的引导下牵引跟随机器人和移动灭火剂基站到达泄漏点附近后，
[0102]
所述跟随机器人，用于在到达泄漏点附近后，排成灭火队形，通过搭载的所述灭火剂喷射头向泄漏点喷射灭火剂，对气体泄漏进行早期控制，防止气体发生燃烧；
[0103]
所述移动灭火剂基站，用于向跟随机器人输送灭火剂。
[0104]
优选的，所述多个行走机器人均为球形-六足变形机器人；所述球形-六足变形机器人，在收起状态为球形机器人，可以在地面上滚动行进，在展开状态为六足机器人，可以通过六个足进行移动，并且，领航机器人搭载摄像装置，跟随机器人搭载灭火剂喷射头，通过消防管道连接移动灭火剂基站。
[0105]
在导航至气体泄漏区域的过程中，领航机器人展开为六足机器人，跟随机器人保持为球形；跟随机器人保持球形进行滚动，体积更小，通过滚动的方式行进，对路面要求低。
[0106]
领航机器人牵引着球形的跟随机器人和移动灭火剂基站，向气体泄漏区域移动；在到达泄漏点附近后，跟随机器人排成灭火队形，展开为六足机器人将灭火剂喷头伸出，对准气体泄漏区域喷射灭火剂。
[0107]
综上所述，本实施例公开的用于空间区域确定的多机器人探测方法，可以利用多个机器人，实现泄漏气体空间区域的探测和确定。本发明使机器人按照泄漏气体浓度大小分布进行排布，并按照气体浓度大小进行泄漏指示灯亮度控制，形成从泄漏点的中心到泄漏边缘由亮到暗的气体泄漏空间区域指示，实现对泄漏区域的报警和泄漏区域的指示。
[0108]
并且，采用包括蝴蝶式机器人在内的仿生飞行昆虫机器人进行探测和空间区域确定，便于在石化场站管路复杂的区域中的狭小空间通行的停留，以确定泄漏气体的空间区
域。采用球形-六足变形机器人更便于在石化场站的复杂环境中通行。
[0109]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。