专利名称：：一种用于轮式机器人搜索核辐射源的运动控制方式的制作方法
技术领域：
：本发明属于机器人领域，涉及一种用于轮式机器人寻找核辐射源的运动控制方式。
背景技术：
：随着科学技术的飞速发展，在核科学、工业
技术领域：
中的科学研究、工农业生产以及人们的日常生活中越来越多的接触和应用各种核辐射能和原子核能。但与此同时，核应用也带来了很大的危机，如1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故以及2011年日本福岛核电站的核泄漏事故。核辐射对人体的伤害极大，核辐射对人体的危害及防护问题已然成为现代工业生产中一个重要的课题。因此核辐射源的探测是十分必要的，但也有其特殊性首先核辐射对人体有一定的危害性，故采取轮式机器人来探测核辐射源；其次核辐射信号的场强分布与测量有其特殊性，无法通过传统的照相技术定位核辐射源，而只能获得机器人当前所在位置的核辐射强度值，故控制算法采用允许位置信息缺失的极值搜索算法。极值搜索算法最早出现在20世纪20年代(M.Leblanc,SurI’electrificationdescheminsdeferaumoyendecourantsalternatifsdefrequenceelevee.RevuegeneraledeI!Electricite，1922.)，20世纪40-60年代该算法在前苏联得到重视。直至20世纪80年代，线性自适应控制理论取得重大突破后，极值搜索算法以其对控制对象的性能指标具有优越的极值搜索能力，再次受到人们的重视。极值搜索算法能在被控对象的某些信息不知晓或不确定的情况下，利用合适的激励信号和滤波环节，取得期望的控制效果(K.B.AriyurandM.Krstic,“Real-timeoptimizationbyextremum-seekingcontrol，，，Wiley-Interscience,Hoboken,NJj2003;C.Centioli，F.Iannone，G.Mazza,LPangione，S.Podda，A.Tuccillo，V.Vitale,LZaccarian，“ExtremumseekingappliedtotheplasmacontrolsystemoftheFrascatiTokamakUpgrade,”Proceedingofthe44thIEEEConferenceonDecisionandControl,andtheEuropeanControlConference2005，pp8227_8232，2005)。因此在环境地理信息不确定和无法定位的情形下，可利用极值搜索方法来寻找目标源。核辐射源通常无法通过传统的照相技术定位，机器人只能获得当前所在位置的核辐射信号强度值，故极值搜索算法可以很好地用于探测核辐射源。极值搜索算法应用于位置信息缺失时寻找目标源时，考虑的模型主要有质点模型(C.Zhang,A.Siranosian,M.Krstic,“Extremumseekingformoderatelyunstablesystemsandforautomousvehicletargettrackingwithoutpositionmeasurements,”2006AmericanControlConference,2006)、完整小车模型、非完整小车模型。鉴于实际应用的轮式机器人，所以选择非完整小车模型。控制策略有控制线速度(C.Zhang,D.Arnold,N.Ghods,A.Siranosian,M.Krstic,“Sourceseekingwithnon-holonimicunicyclewithoutpositionmeasurementandwithtuningofforwardvelocity，”Systems&ControlLetters,vol.56，pp245_252，2007)，或角速度(J.CochranandM.Krstic,uNonholonomicsourceseekingwithtuningofangularvelocity,”IEEETrans.Automaticcontrol,vol.54,pp717_731,2009)。实际使用的轮式机器人采用调节线速度。控制维数除了二维，还有一维、三维(J.Cochran,N.GhodsandM.Krstic,“3Dnonholonomicsourceseekingwithoutpositionmeasurement,”2008AmericanControlConference,pp3518_3523,2008)。此外，还考虑系统中出现慢速传感器(N.GhodsandM.Krstic,“Extremumseekingwithveryslowordriftingsensors,”2009AmericanControlConference,ppl946_1951,2009)和执行器等情况的控制问题。以上这些研究首要考虑是控制的稳定性问题(Y.Tan,D.Nesic,I.Mareels,“Onnon-localstabilitypropertiesofextremumseekingcontrol,”Automatica,vol.42，pp889-903,2006)，且大部分都是研究局部稳定性，收敛范围受到很大限制，同时对收敛速度也未提出要求。在实际应用中，在保证系统稳定的基础上，更加追求系统的良好性能，特别是扩大搜索范围和提高搜索速度。因此本发明着重研究如何更大范围地提高收敛域(即当轮式机器人距离核辐射源较远时也能搜索到目标)，同时相对地保证较快的搜索速度。
发明内容技术问题本发明提供了一种可在没有位置信息的陌生环境中搜索核辐射源，搜索范围大、搜索速度快的用于轮式机器人搜索核辐射源的运动控制方法。技术方案本发明的用于轮式机器人搜索核辐射源的运动控制方法，包括以下步骤a)核辐射传感器测量出当前位置的核辐射场强值F，并用公式InF进行对数转换，所述I为虚拟场强值，k为变换增益；b)高通滤波器将所述步骤a)中得到的虚拟场强值^/进行高通滤波后，再由分数幂环节放大，得到信号值式中产=为高通滤波器的传递函数，5为拉式变b—VBjThPs+k换中的复变量，A为滤波器时间常数的倒数，p与g是互质的整数，ae(0,1)；c)将所述步骤b)中得到的信号值f与正弦信号咖⑷)调制，通过比例环节放大，再与激励信号AfOan(Otf)相力口，得到V=+即v=amsm(m)+c&n(m￡),将所述r作为系统的控制输入来改变轮式机器人的线速度，同时保持轮式机器人的角速度输入外不变，式中S为激励信号的幅度，c为放大器增.、Mo本发明方法中，轮式机器人是二维非完整运动模型；轮式机器人的运动控制不依赖于环境的位置信息，只依赖于信号源的场强值；对场强信号采取对数测量和分数幂放大，极大地提高了搜索速度和搜索范围。本发明中，轮式机器人的驱动方式为只调节线速度v，即固定角速度为砰不变，系统的控制输入量为轮式机器人的线速度。要搜索的核辐射源的核辐射强度分布未知，但核辐射源中心处的辐射强度最大。当轮式机器人运动到某一位置，安装在机器人上的传感器(传感器与小车中心距离为r>0)测量出当前位置的核辐射强度为F。此信号首先经过对数转换使其梯度增大后得到信号I，再由高通滤波器对其进行滤波，得到信号&此滤波信号再经过分数幂环节y(其中互质)，其后与正弦信号_(￡2<)调制，通过比例环节放大，再与激励信号相加，作为系统的控制输入来改变轮式机器人的线速度％最终使小车运动到核辐射源处有益效果本发明方法与现有技术相比具有以下优点本方法简单可靠，便于实际运用，相比于原来的极值搜索算法，极大地增大了核辐射源的收敛范围，同时搜索速度也提高。轮式机器人的运动控制不依赖于环境的位置信息，只依赖于信号源的场强值；对场强信号采取对数测量和分数幂放大，极大地提高了搜索速度和搜索范围。对数测量现实中的核辐射信号偏向于指数衰减，远离核辐射源的位置测量到的信号趋近零，故而梯度变化很小。采用对数测量后，将趋近于零的信号映射至负无穷，这样信号的梯度变化就大大增加，从而使得轮式机器人搜索核辐射源的范围扩大。分数幂控制轮式机器人的搜索时间主要耗在远离核辐射源梯度值小的地方。当梯度值小于I时，搜索速度就会变慢，而加入分数幂就会增大其梯度，且分数幂对梯度值远大于I的影响不大，因为梯度值大的地方接近核辐射源处，搜索速度不会有太大影响。图I为本发明方法的结构图2为轮式机器人模型示意图3为对数变换前后测量值对比图4为对数测量控制效果对比图5为分数幂控制运动轨迹对比图6为本发明方法的流程图。具体实施例方式图6为本发明的用于轮式机器人搜索核辐射源的运动控制方法的流程图，具体步骤如下a)核辐射强度测量与对数转换核辐射强度由轮式机器人自带的核辐射传感器测量。轮式机器人运动学模型如图2所示。图2显示了轮式机器人模型的位置、线速度、角速度和传感器位置。由图2可知机器人中心的运动方程为权利要求1.一种用于轮式机器人捜索核辐射源的运动控制方法，其特征在于，该方法由控制器根据测量到的核辐射场强值进行运动控制流程，当一个运动控制流程结束吋，继续进行下一个运动控制流程，每个所述的运动控制流程包括以下步骤a)核辐射传感器测量出当前位置的核辐射场强值F，并用公式J=免InP进行对数转换，所述J为虚拟场强值，k为变换増益；b)高通滤波器将所述步骤a)中得到的虚拟场强值I进行高通滤波后，再由分数幂环节放大，得到信号值Lが,式中为高通滤波器的传递函数，·S为拉^式变换中的复变量，A为滤波器时间常数的倒数,与f是互质的整数，df€(CU)；c)将所述步骤b)中得到的信号值^与正弦信号smi·)调制，通过比例环节放大，再与激励信号相カロ，得到v=_sm_)+cjsm(i4即'賴眺将所述V作为系统的控制输入来改变轮式机器人的线速度，同时保持轮式机器人的角速度输入·不变，式中3激励信号的幅度，c为放大器増益。全文摘要本发明公开了一种用于轮式机器人搜索核辐射源的运动控制方法，在经典极值搜索算法的基础上引入分数幂控制，同时对核辐射强度采取对数测量，从而在更大范围内快速搜索到核辐射源，包括如下步骤a)机器人上的核辐射传感器测量出其当前位置的核辐射场强值，并进行对数转换；b)滤波器将该虚拟场强值进行滤波后，再由分数幂环节处理；c)经过分数幂环节后的信号值与正弦信号调制，通过比例环节放大，再与激励信号相加，作为系统的控制输入来改变轮式机器人的线速度。本发明方法对扩大收敛范围和加快搜索速度效果显著，可在缺乏环境位置信息时迅速寻找到核辐射源，尤其在初始位置离核辐射源很远时，可大幅提高搜索范围和速度。文档编号G05D1/12GK102681548SQ20121015119公开日2012年9月19日申请日期2012年5月16日优先权日2012年5月16日发明者曹青青,田玉平申请人:东南大学