三维机器人主动嗅觉仿真平台设计
发布时间：2021-03-24 06:10
有毒/有害气体或气味的泄漏通常会造成严重的人身伤害和财产损失。当气味泄漏发生时,对危险气味进行快速准确的探测、跟踪和定位非常重要。随着人工智能和机器人技术发展,使用自主机器人代替操作人员对危险气味源进行嗅探定位变得可能,并逐渐形成了机器人主动嗅觉这个研究领域。本领域人员目前主要采用地面移动机器人在二维环境下开展主动嗅觉的研究,但现实环境下气味在三维空间扩散,因此开展三维环境下的主动嗅觉研究非常必要。考虑到大量开展三维主动嗅觉的实验难度较大且实际环境下气味烟羽无法重复,本文基于旋翼无人机对三维机器人主动嗅觉仿真平台的设计展开了研究。主要研究工作总结如下:（1）建立了旋翼气动效应和无人机位姿运动对气味扩散影响的数值化模型。通过流体力学中的涡方法对旋翼旋转产生的风场进行了理论分析,将旋翼旋转产生的尾迹简化为螺旋状的涡丝结构,建立了涡丝运动的微分控制方程,根据涡丝的位置可以计算出空间中旋翼产生的扰动气流场。无人机在气味嗅探过程中产生位姿运动,通过建立无人机动力学模型和控制器模型可以准确地模拟无人机的运动过程,然后与旋翼涡丝模型相结合可以仿真出无人机运动过程中产生的扰动流场。（2）开发了用于三维...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
姜小宝等人结合设计的二维烟羽仿真工具[21]
天津大学硕士学位论文6Monroy[28]等人也在ROS开源平台中开发了三维气味烟羽仿真工具，通过建立仿真环境模型，加入了自主机器人的三维模型，运用计算流体动力学工具模拟室内环境下的风场，并实现了气味建图、机器人导航等功能，能对多气味源的气味扩散进行模拟。图1-8Monroy等人开发的机器人主动嗅觉仿真软件[28]1.3存在的问题根据1.2节介绍的已有仿真工具，虽然已经有些仿真工具能仿真三维环境下气味烟羽的扩散过程，这些已有的成果都侧重于研究地面二维平面内机器人进行气味源搜寻的过程，想要应用于三维空间内旋翼无人机气味搜寻的仿真还有一些亟需解决的痛点：一、机器人气味搜索的过程局限于近地平面内；二、气味搜寻过程中，机器人本体对烟羽扩散的影响都被忽略了。气味在扩散过程中会向空中传播，如图1-9所示，烟羽从烟饼处产生之后会随着气流上下飘散。密度大的气体会下沉积聚在近地面传播，密度小的气体会向空中飘散，密度与空气相近的气体会随着流场弥漫飘散。无人机的对气味搜寻时会在三维空间中升降、悬停和低速巡航，需要对嗅探机器人在空间中的动态运动过程进行仿真。旋翼无人机在气味进行嗅探的过程中旋翼会对空间中气味的扩散过程造成影响，如图1-10所示，无人机上方的烟羽被吸入旋翼中然后向下喷射，旋翼无人机附近空间内的流场都不同程度的受到旋翼旋转的影响[29,30]。这种旋翼对周边流场的影响作用也会随着无人机升降、悬停和平动飞行等运动状态的不同而发生变化[31]。已有的仿真平台都将嗅探机器人本体当作一个质点来考虑的，把嗅探机器人本体对气味传播的影响都忽略了。1.2节介绍的仿真方法大多在采用CFD仿
第1章绪论7真环境流场的基础上对烟羽的扩散进行模拟，如果还用这种方法对旋翼无人机的运动进行CFD流程仿真，在无人机本体位置运动之后就需要对整个空间进行网格划分然后解算仿真流程，这种仿真的过程会变得异常复杂缓慢。因此，针对这两个存在的问题，需要采用新的数值化仿真方法对旋翼无人机的运动过程中的烟羽扩散进行仿真。图1-9烟羽随着风流在三维空间中扩散图1-10旋翼机器人对周围空间中气味烟羽传播的影响1.4论文研究内容本文的主要研究内容是旋翼机器人在三维空间中运动时的气味烟羽仿真问题，通过对无人机位姿运动的动态过程进行动力学建模，对螺旋桨旋转过程在无人机附近产生的扰动流场进行流体力学分析，实时计算出无人机动态运动过程中对周围产生的流场影响，然后搭建仿真空间三维模型，运用流体动力学仿真工具对环境流场进行仿真，综合考虑环境流场和扰动流场对烟羽扩散产生的影响进行仿真计算，从而实现对三维空间中机器人主动嗅觉的仿真。各章节的内容和章节间的逻辑关系详述如下：第一章，介绍了论文的研究背景和意义。首先，叙述了在机器人主动嗅觉研
【参考文献】：
博士论文
[1]小型无人直升机动态分析与非线性控制研究[D]. 郭建川.天津大学 2014
[2]动态气流环境下气味烟羽仿真与气味源定位[D]. 王阳.天津大学 2013
[3]湍动气流主控环境下多机器人气味源定位[D]. 李飞.天津大学 2009
硕士论文
[1]室内通风环境下气体/气味扩散的数值模拟[D]. 姜小宝.天津大学 2012
[2]室外近地面流场特性分析及烟羽重现[D]. 李慧霞.天津大学 2012
本文编号：3097214
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
姜小宝等人结合设计的二维烟羽仿真工具[21]
天津大学硕士学位论文6Monroy[28]等人也在ROS开源平台中开发了三维气味烟羽仿真工具，通过建立仿真环境模型，加入了自主机器人的三维模型，运用计算流体动力学工具模拟室内环境下的风场，并实现了气味建图、机器人导航等功能，能对多气味源的气味扩散进行模拟。图1-8Monroy等人开发的机器人主动嗅觉仿真软件[28]1.3存在的问题根据1.2节介绍的已有仿真工具，虽然已经有些仿真工具能仿真三维环境下气味烟羽的扩散过程，这些已有的成果都侧重于研究地面二维平面内机器人进行气味源搜寻的过程，想要应用于三维空间内旋翼无人机气味搜寻的仿真还有一些亟需解决的痛点：一、机器人气味搜索的过程局限于近地平面内；二、气味搜寻过程中，机器人本体对烟羽扩散的影响都被忽略了。气味在扩散过程中会向空中传播，如图1-9所示，烟羽从烟饼处产生之后会随着气流上下飘散。密度大的气体会下沉积聚在近地面传播，密度小的气体会向空中飘散，密度与空气相近的气体会随着流场弥漫飘散。无人机的对气味搜寻时会在三维空间中升降、悬停和低速巡航，需要对嗅探机器人在空间中的动态运动过程进行仿真。旋翼无人机在气味进行嗅探的过程中旋翼会对空间中气味的扩散过程造成影响，如图1-10所示，无人机上方的烟羽被吸入旋翼中然后向下喷射，旋翼无人机附近空间内的流场都不同程度的受到旋翼旋转的影响[29,30]。这种旋翼对周边流场的影响作用也会随着无人机升降、悬停和平动飞行等运动状态的不同而发生变化[31]。已有的仿真平台都将嗅探机器人本体当作一个质点来考虑的，把嗅探机器人本体对气味传播的影响都忽略了。1.2节介绍的仿真方法大多在采用CFD仿
第1章绪论7真环境流场的基础上对烟羽的扩散进行模拟，如果还用这种方法对旋翼无人机的运动进行CFD流程仿真，在无人机本体位置运动之后就需要对整个空间进行网格划分然后解算仿真流程，这种仿真的过程会变得异常复杂缓慢。因此，针对这两个存在的问题，需要采用新的数值化仿真方法对旋翼无人机的运动过程中的烟羽扩散进行仿真。图1-9烟羽随着风流在三维空间中扩散图1-10旋翼机器人对周围空间中气味烟羽传播的影响1.4论文研究内容本文的主要研究内容是旋翼机器人在三维空间中运动时的气味烟羽仿真问题，通过对无人机位姿运动的动态过程进行动力学建模，对螺旋桨旋转过程在无人机附近产生的扰动流场进行流体力学分析，实时计算出无人机动态运动过程中对周围产生的流场影响，然后搭建仿真空间三维模型，运用流体动力学仿真工具对环境流场进行仿真，综合考虑环境流场和扰动流场对烟羽扩散产生的影响进行仿真计算，从而实现对三维空间中机器人主动嗅觉的仿真。各章节的内容和章节间的逻辑关系详述如下：第一章，介绍了论文的研究背景和意义。首先，叙述了在机器人主动嗅觉研
【参考文献】：
博士论文
[1]小型无人直升机动态分析与非线性控制研究[D]. 郭建川.天津大学 2014
[2]动态气流环境下气味烟羽仿真与气味源定位[D]. 王阳.天津大学 2013
[3]湍动气流主控环境下多机器人气味源定位[D]. 李飞.天津大学 2009
硕士论文
[1]室内通风环境下气体/气味扩散的数值模拟[D]. 姜小宝.天津大学 2012
[2]室外近地面流场特性分析及烟羽重现[D]. 李慧霞.天津大学 2012
本文编号：3097214
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