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)开发了用于三维空间中机器人主动嗅觉研究的仿真平台。通过FLUENT对空间平流风场进行仿真,并将数据处理后接入三维仿真平台中作为环境风场。编写了旋翼涡丝模型、无人机动力学模型和控制器模型等程序,并通过并行计算对无人机旋翼影响下的扰动流场进行求解。三维仿真平台可模拟单旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼等多种旋翼机器人在嗅探过程中对气味扩散的影响,最后基于烟丝的大气扩散模型模拟了气味烟羽的扩散过程。(3)对室内情景下的旋翼机器人主动嗅觉仿真结果进行了分析,并通过实验对仿真平台中的模型进行了验证。在室内情景下,以使用最为广泛的四旋翼无人机为例,对仿真平台的效果进行了分析。为了验证仿真平台中运用的数学模型,通过图像处理的方法提取实验过程中烟羽扩散的运动轨迹,对三种不同高度下无人机影响气味传播的实验结果与仿真结果进行了对比,验证了仿真结果的有效性。