[发明专利]一种基于场强信息的等值线跟踪方法

说明书

本发明提出一种基于场强信息的等值线跟踪方法，属于机器人场源搜索领域。该方法首先在平面坐标系下建立移动机器人的动力学模型，移动机器人开始对期望的等值线进行跟踪后，通过机器人安装的传感器测量机器人当前位置的信号场的场强信息，最后基于场强信息设计控制量，控制移动机器人到达期望的场强，并对该强度对应的等值线持续跟踪。本发明的方法仅需要场强信息作为反馈变量，设计简单，可以在不限制移动机器人初始状态的情况下保证跟踪方法的全局稳定性，并且控制参数的设计不依赖移动机器人的初始位置。本发明的方法不需要机器人的位置信息和信号场的分布就可以实现有效的等值线跟踪，可靠性高，适合工程应用。

技术领域

本发明涉及一种基于场强信息的等值线跟踪方法，属于机器人场源搜索领域。

背景技术

伴随着移动机器人技术的快速发展，通过移动机器人进行场源搜索在军用和民用领域获得了广泛的应用，比如空气污染监测、火灾监测、海洋污染监测等。

其中等值线跟踪是一种特殊的场源搜索方式：移动机器人在跟踪过程中需要到达期望的场强，并沿该场强的对应的等值线持续运行，以此获得信号场的分布信息或者绘制等值线。

当利用移动机器人进行等值线跟踪时，在理想情况下，移动机器人的位置和信号场的分布信息均可获得。这时可以通过跟踪信号场的梯度或者负梯度方向实现对期望等值线的跟踪。在一般情况下，移动移动机器人的位置可以通过自身携带的传感器(比如全球卫星定位系统、惯性导航系统等)直接获得，但是信号场的分布信息不能提前获得，比如利用移动机器人确定海洋污染物的扩散范围。这时，可以通过移动机器人携带传感器的量测信息设计估计方法对信号场的梯度信息或者分布函数进行估计，然后再通过跟踪梯度或者负梯度方向实现等值线跟踪。常用的信号场估计方法可以分为两种：第一种是单个机器人改变自己的位置获得不同地点的场强信息，然后通过记录位置与场强的对应关系来估计信号场的分布信息；第二种是多个机器人同时测量不同位置的场强来联合估计信号场的分布信息。

在极端情况下，例如水下或者隧道等环境，移动机器人无法获得自身的位置信息。这种情况下移动机器人不能对信号场的梯度信息进行估计，因此先估计信号场梯度再设计控制方法的方法行不通。这时，研究基于场强信息的控制方法显得至关重要。

然而，基于场强信息的等值线跟踪方法面临诸多挑战：1)反馈状态有限，只有场强量测可以使用；2)移动机器人跟踪系统存在比较强的非线性，当前场强与待跟踪场强之间的误差需要通过移动机器人的加速度进行间接控制；3)信号场分布未知，且不能通过场强信息对其进行估计。

目前基于场强信息的等值线跟踪方法大多存在缺陷。文献《Method for trackingof environmental level sets by a unicycle-like vehicle》设计了一种基于滑模控制的等值线跟踪方法，该方法的控制输出会根据跟踪误差在最大值与最小值之间切换，这会在实际应用中带来“抖振”问题。此外，该滑模控制方法在圆形信号场中存在稳态误差，并且还需要限制移动机器人的起始状态。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种基于场强信息的等值线跟踪方法。本发明只利用场强量测作为反馈信息就可以保证控制方法的全局稳定性，不需要限制机器人的初始状态，此外控制参数的设计也不依赖移动机器人的初始位置，可实现在移动机器人自身位置未知导致无法估计信号场分布的情况下，实现对期望等值线的有效跟踪。

本发明提出一种基于场强信息的等值线跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在平面坐标系下建立移动机器人的动力学模型：