专利名称：一种基于免疫主体的水下机器人环境感知方法
技术领域：
本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种可用于解决水下机器人及其他水下潜器设备周围环境监测、监控、危险信息处理、避障等问题的水下机器人环境感知方法。
背景技术：
生物免疫系统尤其是人类免疫系统是自然界长期进化的结果，各种免疫分子、细胞、器官组合在一起，能够综合感知、利用内外信息，并灵活的处理这些信息，各种成分(智能主体)协调工作完成识别、稳定、防御任务，保护人体健康。利用免疫系统机制，已经是设计了计算机安全免疫系统，用于防御、识别计算机病毒、不良信息、网络攻击行为等。水下机器人环境感知方法主要包括视觉方法、水声技术、分布式信息融合技术等，主要依赖视觉信息由操作员对机器人所遇到的各种状况做出判断，避免紧急情况或危险情况的发生。目前，国内外水下机器人尚没有对危险感知的明确方法或系统，多数是利用声纳等传感器避开障碍，或者利用声纳传感器数据辨识危险目标。没有利用免疫系统的危险感知理论解决该问题的系统或方法。基于主体理论的免疫网络理论，指出免疫系统可以看是通过各种主体(对应B、T细胞)在主体之间以及主体与外界环境之间互相动态作用而构成的网络。根据多智能主体系统的定义，一个多智能主体系统是一个分布计算系统，为了完成通常共同的但有时又必须互相竞争的任务，由交互作用的多个主体组成并协调其活动。免疫系统的多种成分可以满足这样的定义。本发明基于免疫系统原理，设计水下机器人危险感知系统，使水下机器人具有一定程度的智能感知能力，弥补现有方法缺乏适应性、自主性的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服现有技术不足的基于免疫主体的将系统结构按照功能抽象或划分映射成功能不同的免疫主体的水下机器人环境感知方法。本发明的目的是这样实现的:本发明包括如下步骤:(I)将免疫主体与水下机器人结构映射，模型中由η个免疫主体ImA组成免疫主体集合ImA=UmAtl, ImA1,ImAnJ，n=4, ImA0为免疫监测主体，ImA1为免疫通信主体，ImA2为危险识别主体，ImA3为免疫应答主体；(2)监测主体ImAtl在初始状态获得环境知识，对所监视范围内的异常情况进行探测，当监测到水下环境状况变化时，通过免疫通信主体ImA1发送信号给危险识别主体ImA2 ；(3)预存危险环境模式集丫=^^，...^，...^}，y」为第j个环境模式，j=l, 2,...,η, 1 为模式个数,信号表示为 X (t) = (X1U), x2 (t),..., Xi (t),..., xm (t) | t=k},xk(t)为感知信号，m为经滤波和融合后表示成模式信号数，免疫通信主体ImA1发送信号给 危险识别主体ImA2,如果3.^(幻0 F3X-(^) e X(k)，经危险识别主体ImA2判断Xi (k)有较大概率属于异常危险状况，则学习并记忆该情况，更新危险知识库，作为经验指导以后免疫识别主体处理类似情况，以备二次应答；如果Vx,(幻G Y17Xr(A) G X(k)，表明知识库内有相应解决方案；(4 )危险识别主体ImA2识别出危险信号后，免疫应答主体ImA3执行对危险信号的处理，消除危险情况。在监测到危险信号后，危险信号通过如下步骤进行识别:(I)初始化:用16位二进制字符串表示水下安全状况模式集合S，由监测主体监测的水下环境信号字符串存储在Rtl中；(2)亲和力评价:Rq中的字符串是否匹配S中的字符串，由它们之间的亲和力决定是否发生匹配，采用r毗邻匹配方法；(3)产生检测器集合:如果来自Rtl的一个字符串与S中至少一个字符串的亲和力大于给定阈值，则认为该字符串识别一个危险模式，必须被清除，否则字符串引入集合S ;(4)若达到设定步骤数，则结束，若为达到返回(2)。本发明的有益效果在于:本发明对于水下环境信息处理更加灵活多变，克服现有的依赖传统数学模型、信号处理、电子及传感器信息处理方法缺乏适应复杂多变的环境条件的缺陷。突破传统水下机器人环境感知方法的局限，使水下机器人环境感知能力更有效、灵活。
图1为水下机器人免疫多主体系统结构；图2水下机器人危险感知环境；图3为水下机器人免疫多主体内部结构。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述。本发明将免疫主体与水下机器人功能结构映射，模型中由η个免疫主体ImA组成免疫主体集合ImA=UmAtl, ImA1,...，ImAn_J ,n=4, ImA0为免疫监测主体对应机器环境监测传感器系统，来自声呐的信号转换为免疫机制处理的16位长2进制字符串，ImA1为免疫通信主体,对应机器人通信系统,负责将信号传递给危险识别主体。ImA2为危险识别主体，是表示已知危险模式的16位长2进制字符串，存储在数据库中。ImA3为免疫应答主体(操作人员)，对危险识别主体识别出的危险采取措施。免疫危险识别主体采用危险识别算法对信号进行匹配识别。下面以水下机器人对水下危险信息的感知为例，说明水下机器人免疫多主体系统危险感知实施方式:危险信号的监测及主体之间的相互作用通过免疫主体算法实现如下:(I)系统初始化:根据环境知识建立决策数据库，预存危险环境模式集Y= (Y1, y2,..., Yj,..., yn}yJ7 j=l, 2，...，n，为第j个环境`模式，n为模式个数。(2)监测主体接收来自水下环境的危险刺激，更新知识库，更新后的抗体模式集为Y= {y’!, y' 2,..., y' j,..., y' n}
y'.为更新后的模式。(3)在t=k时刻，监测主体收集的感知信号Xk (t)，经滤波和融合后表示成m个模式信号，记集合X (t) = (X1 (t)，X2 ⑴，...，Xi ⑴，…，xm (t) I t=k}(4)如果3 ⑷ Γ，χ,㈧G X(k)，经危险识别主体判断Xi (k)有较大概率属于异
常危险状况，则转(7);如果(A) e F’，Xi (k) e 1认)，表明知识库内有相应解决方案(抗体)，则转(5)。(5)免疫通信主体向危险识别主体发出命令。(6)k=k+l，进入下一时刻，转 2)。(7)学习并记忆该情况，更新知识库，作为经验指导以后免疫识别主体处理类似情况，以备二次免疫应答，并转5)；在监测到危险信号后，危险信号的识别通过危险识别算法如下:( I)初始化:用16位二进制字符串表示水下安全状况模式集合S，由监测主体监测的水下环境信号字符串存储在Rtl中。(2)亲和力评价:Rq中的字符串是否匹配S中的字符串，由它们之间的亲和力决定是否发生匹配。采用r毗邻匹配方法。r毗邻匹配采用固定长度的二进制位符串，这种匹配方法种的抗体和抗原(新模式)之间的匹配过程定义如下:给定抗原X=X1X2...Xn和抗体d=d1d2...dn, M 表示匹配。d M =彐+ l ,这样 Xj=dj,` j=i,..., i, i+r-1(3)产生检测器集合:如果来自Rtl的一个字符串与S中至少一个字符串的亲和力大于给定阈值，则认为该字符串识别一个危险模式，必须被清除(阴性选择)，否则字符串引入集合S。(4)没有达到设定步骤数，算法返回(2)。在危险主体识别危险信号后，免疫应答主体为具体操作人员，由操作人员根据危险类别采取措施消除危险。
权利要求
1.一种基于免疫主体的水下机器人环境感知方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将免疫主体与水下机器人结构映射，模型中由η个免疫主体ImA组成免疫主体集合ImA=UmAtl, ImA1,ImAnJ，n=4, ImA0为免疫监测主体，ImA1为免疫通信主体，ImA2为危险识别主体，ImA3为免疫应答主体； (2)监测主体ImAtl在初始状态获得环境知识，对所监视范围内的异常情况进行探测，当监测到水下环境状况变化时，通过免疫通信主体ImA1发送信号给危险识别主体ImA2 ； (3)预存危险环境模式集Y={yi，J2,...,yj，y」为第j个环境模式，j=l, 2,..., η, η 为模式个数,信号表示为 X (t) = (X1U), x2 (t),..., Xi (t),..., xm (t) | t=k},xk(t)为感知信号，m为经滤波和融合后表示成模式信号数，免疫通信主体ImA1发送信号给危险识别主体ImA2,如果3x,(々) T7X^k) e X(k),经危险识别主体ImA2判断Xi (k)有较大概率属于异常危险状况，则学习并记忆该情况，更新危险知识库，作为经验指导以后免疫识别主体处理类似情况，以备二次应答；如果V.v,.(幻(幻eX(幻，表明知识库内有相应解决方案； (4)危险识别主体ImA2识别出危险信号后，免疫应答主体ImA3执行对危险信号的处理，消除危险情况。
2.一种基于免疫主体的水下机器人环境感知方法，其特征在于:在监测到所述的危险信号后，危险信号通过如下步骤进行识别: (1)初始化:用16位 二进制字符串表示水下安全状况模式集合S，由监测主体监测的水下环境信号字符串存储在R0中； (2)亲和力评价:Rq中的字符串是否匹配S中的字符串，由它们之间的亲和力决定是否发生匹配，采用r毗邻匹配方法； (3)产生检测器集合:如果来自Rtl的一个字符串与S中至少一个字符串的亲和力大于给定阈值，则认为该字符串识别一个危险模式，必须被清除，否则字符串引入集合S ； (4)若达到设定步骤数，则结束，若为达到返回(2)。
全文摘要
本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种可用于解决水下机器人及其他水下潜器设备周围环境监测、监控、危险信息处理、避障等问题的水下机器人环境感知方法。本发明包括如下步骤将免疫主体与水下机器人结构映射；监测主体在初始状态获得环境知识，对所监视范围内的异常情况进行探测；免疫通信主体发送信号给危险识别主体；免疫应答主体执行对危险信号的处理，消除危险情况。本发明对于水下环境信息处理更加灵活多变，克服现有的依赖传统数学模型、信号处理、电子及传感器信息处理方法缺乏适应复杂多变的环境条件的缺陷。突破传统水下机器人环境感知方法的局限，使水下机器人环境感知能力更有效、灵活。
文档编号G06N3/00GK103246921SQ201310121149
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者莫宏伟, 徐立芳, 雍升, 孙泽波, 胡嘉祺, 孟龙龙 申请人:哈尔滨工程大学