基于移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)嗅覺技術(shù)研究

張東++程磊++劉波+周明達(dá)

收稿日期：2013-08-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助（60705035，61075087，61203331）;冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目（Z201102）；河南省高等學(xué)?？刂乒こ讨攸c(diǎn)學(xué)科開放基金項(xiàng)目（KG2011-01）；湖北省教育廳科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D20131105）

作者簡(jiǎn)介：張 東（1989—），男，湖北隨州人，研究生，研究方向：移動(dòng)機(jī)器人，智能控制。

文章編號(hào)：1003-6199(2014)02-0007-04

摘 要：使用移動(dòng)機(jī)器人來定位氣味源已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，機(jī)器人主動(dòng)嗅覺是指使用機(jī)器人自主發(fā)現(xiàn)并跟蹤煙羽，最終確定氣味源所在位置的技術(shù)。本文對(duì)當(dāng)前主動(dòng)嗅覺技術(shù)進(jìn)行概述，并根據(jù)生物嗅覺行為介紹一種氣味源定位算法，這種算法不依賴某一點(diǎn)氣味濃度值，僅依靠氣味濃度變化率就可找到氣味源。并在高斯模型下對(duì)煙羽分布模型進(jìn)行仿真。

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關(guān)鍵詞：機(jī)器人；仿生嗅覺；氣味源定位

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Active Olfaction Technology Research Based on Mobile Robot

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ZHANG Dong1，CHENG Lei1,2，LIU Bo1，ZHOU Mingda1

(1.College of Information Science and Engineering ,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan,Hubei 430081,China;

2.Henan Provincial Open Laboratory for Control Engineering Key Disciplines,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Abstract:Using mobile robot to locate the odor source has become a hot research，Robot active olfaction refers to the use of robots find and track plume, ultimately determine the odor source location．This article summarizes the current active olfaction technology, and according to the biological olfactory behavior to design an algorithm for odor source localization, the algorithm does not rely on a little odor concentration values, only rely on the odor concentration rate we can find the odor source. The simulation and the plume distribution model in the Gauss model.



Key words:robot; bionic olfaction;odor source localization

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1 引 言

氣味跟蹤和定位在自然界普遍存在。近年來，研究人員使用智能移動(dòng)機(jī)器人來探測(cè)定位危險(xiǎn)氣源已經(jīng)成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。移動(dòng)嗅覺機(jī)器人可以從事與氣味跟蹤相關(guān)的工作，例如：尋找有毒氣體泄漏源、尋找地下煤礦瓦斯氣體泄漏源［1］、尋找爆炸源等。目前機(jī)器人嗅覺還處于初級(jí)階段，這也是機(jī)器人領(lǐng)域最后及最難攻克的感知模擬問題。移動(dòng)嗅覺機(jī)器人具有開發(fā)快速，可長(zhǎng)時(shí)間工作，且能完成高危作業(yè)的特點(diǎn)，這種氣味源跟蹤及定位的嗅覺機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人研究現(xiàn)狀分析

自1990年開始，日本和美國(guó)的研究員就開始從事機(jī)器人主動(dòng)嗅覺方面的研究，并取得了豐富的成果。在國(guó)內(nèi)此方面的研究還處于起步階段，但由于其研究意義重大，相關(guān)成果迅速獲得關(guān)注。

在國(guó)外, 美國(guó)智利圣地亞哥大學(xué)的Rozas早在 1991 年就開始研制電子鼻［1］進(jìn)行氣味搜索方面研究，他們把電子鼻安裝到小型移動(dòng)機(jī)器人上，使移動(dòng)機(jī)器人具有氣味跟蹤的能力，并提出了氣味濃度梯度算法使機(jī)器人具有跟蹤氣體，尋找氣味源的能力。從此很多研究員就開始這方面的研究。1992年后，日本東京工業(yè)大學(xué)的Ishida［2］和他的團(tuán)隊(duì)就開始機(jī)器人主動(dòng)嗅覺方面的研究，他通過仿生學(xué)原理提出了一種根據(jù)風(fēng)向信息及氣味濃度信息兩種搜索策略相結(jié)合實(shí)現(xiàn)氣味源定位，提高的移動(dòng)機(jī)器人定位的效率。Ishida還開發(fā)出電子鼻如圖1所示：

圖1 電子鼻

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月

第33卷第2期張 東等：基于移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)嗅覺技術(shù)研究

這種電子鼻［3］的原理是用石英晶體當(dāng)檢測(cè)氣味分子的敏感天平，在石英晶體表面涂上一層可以捕獲氣味的化學(xué)原料，當(dāng)電子鼻在遇到氣味時(shí)，石英晶體表面會(huì)附上此種氣味微粒，導(dǎo)致石英晶體質(zhì)量增加從而影響共振頻率。石英晶體質(zhì)量增加對(duì)共振的影響公式如下：

 ΔX=2X2ΔaPV(1)

其中X表示石英晶體的共振頻率，ΔX表示石英晶體共振頻率的變化量，Δa表示石英晶體的單位面積質(zhì)量增加，P表示石英晶體的密度，V表示聲音在石英晶體中傳播速度。2004年，I(xiàn)shida開發(fā)出三維氣味源定位器如圖2所示；

圖2 三維氣味源定位器

并利用三維氣味源定位器進(jìn)行了三維空間的機(jī)器人嗅覺定位實(shí)驗(yàn)。澳大利亞Russell也較早帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)從事機(jī)器人主動(dòng)嗅覺方面的工作，受到生物觸覺啟發(fā)，Russell［4］設(shè)計(jì)出半八字形機(jī)器人主動(dòng)嗅覺氣味尋源算法。2002年美國(guó)的Hayes提出了螺旋式氣味跟蹤算法。并提出機(jī)器人氣味尋源系統(tǒng)的簡(jiǎn)單評(píng)定指標(biāo)，即：

Q=XN1+YN2P (2)

P=XN+YM(3)

其中M是完成嗅覺定位所需要的總距離，N是完成嗅覺定位所需要的總時(shí)間，X和Y是分別是時(shí)間和距離的加權(quán)函數(shù)，N1是完成嗅覺定位所需的最短時(shí)間，N2是完成嗅覺定位所需要最短距離。

在國(guó)內(nèi)，張小俊［8,9］等人研究了一種基于動(dòng)物捕食行為的移動(dòng)機(jī)器人氣味源定位策略；路光達(dá)等人基于扁形蟲動(dòng)態(tài)刺激反應(yīng)模式；天津大學(xué)孟慶浩教授在多機(jī)器人主動(dòng)嗅覺領(lǐng)域取得了較大成果。

3 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

3.1 嗅覺機(jī)器人GaPTR型

早在1992年，日本東京工業(yè)大學(xué)的Ishida和他的同事開始進(jìn)行機(jī)器人嗅覺定位方面的研究。他們從飛蛾嗅覺行為中獲得啟示，提出了一種模仿飛蛾的嗅覺定位策略，制成了氣味方向檢測(cè)裝置，該移動(dòng)機(jī)器人利用四個(gè)氣味傳感器和四個(gè)方向傳感器實(shí)現(xiàn)氣味的搜索。嗅覺機(jī)器人GaPTR-Ⅰ如圖3［7］所示。

圖3 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅠ

2002年，為了提高機(jī)器人氣味的搜索的性能，Ishida開發(fā)了第二代嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ。GaPTRⅡ型嗅覺機(jī)器人同樣采用類型的氣味傳感器和飛向傳感器，但把傳感器的擺放位置做了調(diào)整。如圖4［7］所示，在第二代嗅覺機(jī)器人上安裝了一個(gè)延伸臂，在延伸臂的兩端是兩個(gè)氣味傳感器Ra和Rl通過比較它們的濃度差從而確定嗅覺機(jī)器人的前進(jìn)方向。嗅覺機(jī)器人所在位置的氣體濃度是由Rc傳感器輸出，來判斷此時(shí)嗅覺機(jī)器人是否接觸煙羽。兩個(gè)氣流傳感器為嗅覺機(jī)器人提供風(fēng)向信息。

3.2 基于MTU移動(dòng)機(jī)器人的嗅覺機(jī)器人設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)嗅覺機(jī)器人主要由五個(gè)模塊組成，即DSP TMS320F2407核心控制模塊、傳感器控制和信號(hào)調(diào)理模塊、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊、AD和DA轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)電源等。結(jié)構(gòu)圖如下圖5，6所示。

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圖4 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ

圖5 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人硬件模塊

圖6 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人實(shí)物

4 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)

機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)即模仿生物嗅覺追蹤氣味的能力，嗅覺機(jī)器人通過傳感器自主發(fā)現(xiàn)，跟蹤，并確認(rèn)氣味源的能力。Hayes［5］對(duì)機(jī)器人嗅覺定位進(jìn)行了定義,即怎么讓移動(dòng)機(jī)器人在封閉環(huán)境下尋找到氣味源，并對(duì)其分解為三個(gè)任務(wù)，如圖7所示。

圖7 氣味源定位

4.2 嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略

濃度梯度搜索策略是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一，移動(dòng)機(jī)器人僅僅依靠氣味濃度的變化就可以找到氣味源。濃度梯度搜索策略是受到生物趨化性行為而發(fā)明的，趨化性是指微生物在受到刺激時(shí)一種定向移動(dòng)的能力，例如細(xì)菌的趨光性等，是使其適應(yīng)環(huán)境變化的能力。機(jī)器人采用濃度梯度法時(shí)通常在機(jī)器人前后各安裝一個(gè)氣味傳感器，通過比較這兩個(gè)氣味傳感器得到的濃度差值確定機(jī)器人的前進(jìn)方向。

Z字形跟蹤法搜索策略［6］是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一。它是研究飛行生物追蹤信息素而發(fā)明的。例如，飛蛾發(fā)現(xiàn)氣味時(shí)后，跟蹤方法為其飛行軌跡在煙羽內(nèi)部，當(dāng)遇到煙羽邊界是改變方向，到達(dá)煙羽另一邊界在改變方向，軌跡為Z字形，這樣就能找到氣味源。濃度梯度法［7］和Z字形搜索策略示意圖如圖8所示。

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圖8 濃度梯度法和Z字形搜索策略示意圖［6］

4.3 基于昆蟲激化性行為的氣味源定位算法

受到生物趨激性啟示，路光達(dá)等設(shè)計(jì)了不依靠某一點(diǎn)氣味濃度值，不依靠風(fēng)向，僅僅依靠氣味濃度變化率就可找到氣味源的定位算法［10］。昆蟲激化性行為的氣味源定位策略：把移動(dòng)嗅覺機(jī)器人放到密閉有煙羽的空間中，讓其以任意步長(zhǎng)任意角度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒有檢測(cè)到煙羽則繼續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其檢測(cè)到煙羽后，這時(shí)嗅覺機(jī)器人根據(jù)最后兩步的氣味濃度變化率來判斷步長(zhǎng)及偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)濃度變化率保持最小值閥值時(shí)表示嗅覺機(jī)器人尋找到氣味源，該處即為氣味源。氣味源定位流程如圖9所示：

圖9 氣味源定位流程

設(shè)定嗅覺機(jī)器人每步移動(dòng)L，機(jī)器人每步的轉(zhuǎn)角為P,定義XL、XP為與氣味濃度變化率相關(guān)的變化因子，根據(jù)氣味濃度變化率決定下一步的步長(zhǎng)及轉(zhuǎn)角。其中LK=XL*LK－1,PK=XP*PK－1。某一點(diǎn)氣味濃度值設(shè)為D，氣味濃度變化率設(shè)為Y,其中YK=DK－DK－1/DK－1，DMAX為濃度的最大值，YMIN為濃度變化率的最小值，設(shè)a為DK相對(duì)DMAX的最小值，當(dāng)DK－DMAX=a時(shí)，此時(shí)的位置就是氣味源，移動(dòng)嗅覺機(jī)器人搜索模式偽代碼如下：

while(濃度變化率小于閥值)

{

if ((YK＞YK-1)&&(K-1處左轉(zhuǎn)))||

(( YK＜YK-1)&&(K-1處右轉(zhuǎn)))

前進(jìn)L右轉(zhuǎn)P

else

前進(jìn)L左轉(zhuǎn)P

}

5 仿真實(shí)驗(yàn)

如今常用的氣體擴(kuò)散模型有：高斯模型，F(xiàn)EM3模型，Britter and McQuaid 模型，高斯煙羽擴(kuò)散模型通常適用統(tǒng)計(jì)方法來考察煙羽擴(kuò)散的濃度分布，高斯煙羽擴(kuò)散模型適用于擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)且是連續(xù)源的擴(kuò)散，由于高斯煙羽擴(kuò)散模型適合作為主動(dòng)嗅覺技術(shù)［8，9］的模擬環(huán)境，所以選擇高斯煙羽擴(kuò)散模型［10］。公式如下：

c(x,y,z)=A2πfρyρzexp (－y22ρ2y+－z22ρ2z) (4)

試中：c——煙羽濃度，A——源強(qiáng)，ρy——煙羽沿水平方向擴(kuò)散參數(shù)，ρz——煙羽沿垂直方向擴(kuò)散參數(shù)，其中ρy，ρz由x確定。f——平均風(fēng)速。設(shè)濃度最大點(diǎn)為氣味源。高斯煙羽分布模型如下圖10所示。圖中設(shè)風(fēng)速為0.2m/s，源強(qiáng)為6.22， (0.0)表示氣味源，x軸與風(fēng)向平行。

圖10 高斯煙羽分布模型

6 總 結(jié)

機(jī)器人主動(dòng)嗅覺技術(shù)是一個(gè)新的研究方向，以其為背景研發(fā)的危險(xiǎn)氣源定位機(jī)器人將具有廣闊的科研空間。本文分析了當(dāng)前的嗅覺機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了一種仿生氣味源定位算法。

參考文獻(xiàn)

［1］ RUSSELL R A. Locating underground chemical sources by tracking chemical gradients in 3 dimensions［C］. Proceedings of the 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. USA: IEEE, 2004. 325-330.

［2］ ISHIDA H, NAKAMOTO T, MORIIZUMI T. Study of odor compass［C］. IEEE/SICE/RSJ International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems .Washington, DC, USA: IEEE, 1996. 222-226.

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［5］ HAYES A T, MARTIONLI A, GOODMAN R M. Distributed odor source localization ［J］. IEEE Sensors, 2002, 2(3):260-271.

［6］ 李飛.湍動(dòng)氣流主控環(huán)境下多機(jī)器人氣味源定位［D］.天津:天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,2009,6.

［7］ 李飛.小型移動(dòng)機(jī)器人嗅覺定位研究［D］.天津：天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,2006.1.

［8］ 孟慶浩, 李飛, 張明路. 湍流煙羽環(huán)境下多機(jī)器人主動(dòng)嗅覺實(shí)現(xiàn)方法研究［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)： 2008,34(10): 1281-1290.

［9］ 孟慶浩, 李飛. 主動(dòng)嗅覺研究現(xiàn)狀［J］. 機(jī)器人：2006, 28(1)：89-96.

［10］路光達(dá)，一種機(jī)器人仿生氣味源定位策略［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2010,39(5):21-27.

圖3 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅠ

2002年，為了提高機(jī)器人氣味的搜索的性能，Ishida開發(fā)了第二代嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ。GaPTRⅡ型嗅覺機(jī)器人同樣采用類型的氣味傳感器和飛向傳感器，但把傳感器的擺放位置做了調(diào)整。如圖4［7］所示，在第二代嗅覺機(jī)器人上安裝了一個(gè)延伸臂，在延伸臂的兩端是兩個(gè)氣味傳感器Ra和Rl通過比較它們的濃度差從而確定嗅覺機(jī)器人的前進(jìn)方向。嗅覺機(jī)器人所在位置的氣體濃度是由Rc傳感器輸出，來判斷此時(shí)嗅覺機(jī)器人是否接觸煙羽。兩個(gè)氣流傳感器為嗅覺機(jī)器人提供風(fēng)向信息。

3.2 基于MTU移動(dòng)機(jī)器人的嗅覺機(jī)器人設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)嗅覺機(jī)器人主要由五個(gè)模塊組成，即DSP TMS320F2407核心控制模塊、傳感器控制和信號(hào)調(diào)理模塊、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊、AD和DA轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)電源等。結(jié)構(gòu)圖如下圖5，6所示。

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圖4 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ

圖5 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人硬件模塊

圖6 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人實(shí)物

4 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)

機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)即模仿生物嗅覺追蹤氣味的能力，嗅覺機(jī)器人通過傳感器自主發(fā)現(xiàn)，跟蹤，并確認(rèn)氣味源的能力。Hayes［5］對(duì)機(jī)器人嗅覺定位進(jìn)行了定義,即怎么讓移動(dòng)機(jī)器人在封閉環(huán)境下尋找到氣味源，并對(duì)其分解為三個(gè)任務(wù)，如圖7所示。

圖7 氣味源定位

4.2 嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略

濃度梯度搜索策略是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一，移動(dòng)機(jī)器人僅僅依靠氣味濃度的變化就可以找到氣味源。濃度梯度搜索策略是受到生物趨化性行為而發(fā)明的，趨化性是指微生物在受到刺激時(shí)一種定向移動(dòng)的能力，例如細(xì)菌的趨光性等，是使其適應(yīng)環(huán)境變化的能力。機(jī)器人采用濃度梯度法時(shí)通常在機(jī)器人前后各安裝一個(gè)氣味傳感器，通過比較這兩個(gè)氣味傳感器得到的濃度差值確定機(jī)器人的前進(jìn)方向。

Z字形跟蹤法搜索策略［6］是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一。它是研究飛行生物追蹤信息素而發(fā)明的。例如，飛蛾發(fā)現(xiàn)氣味時(shí)后，跟蹤方法為其飛行軌跡在煙羽內(nèi)部，當(dāng)遇到煙羽邊界是改變方向，到達(dá)煙羽另一邊界在改變方向，軌跡為Z字形，這樣就能找到氣味源。濃度梯度法［7］和Z字形搜索策略示意圖如圖8所示。

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圖8 濃度梯度法和Z字形搜索策略示意圖［6］

4.3 基于昆蟲激化性行為的氣味源定位算法

受到生物趨激性啟示，路光達(dá)等設(shè)計(jì)了不依靠某一點(diǎn)氣味濃度值，不依靠風(fēng)向，僅僅依靠氣味濃度變化率就可找到氣味源的定位算法［10］。昆蟲激化性行為的氣味源定位策略：把移動(dòng)嗅覺機(jī)器人放到密閉有煙羽的空間中，讓其以任意步長(zhǎng)任意角度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒有檢測(cè)到煙羽則繼續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其檢測(cè)到煙羽后，這時(shí)嗅覺機(jī)器人根據(jù)最后兩步的氣味濃度變化率來判斷步長(zhǎng)及偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)濃度變化率保持最小值閥值時(shí)表示嗅覺機(jī)器人尋找到氣味源，該處即為氣味源。氣味源定位流程如圖9所示：

圖9 氣味源定位流程

設(shè)定嗅覺機(jī)器人每步移動(dòng)L，機(jī)器人每步的轉(zhuǎn)角為P,定義XL、XP為與氣味濃度變化率相關(guān)的變化因子，根據(jù)氣味濃度變化率決定下一步的步長(zhǎng)及轉(zhuǎn)角。其中LK=XL*LK－1,PK=XP*PK－1。某一點(diǎn)氣味濃度值設(shè)為D，氣味濃度變化率設(shè)為Y,其中YK=DK－DK－1/DK－1，DMAX為濃度的最大值，YMIN為濃度變化率的最小值，設(shè)a為DK相對(duì)DMAX的最小值，當(dāng)DK－DMAX=a時(shí)，此時(shí)的位置就是氣味源，移動(dòng)嗅覺機(jī)器人搜索模式偽代碼如下：

while(濃度變化率小于閥值)

{

if ((YK＞YK-1)&&(K-1處左轉(zhuǎn)))||

(( YK＜YK-1)&&(K-1處右轉(zhuǎn)))

前進(jìn)L右轉(zhuǎn)P

else

前進(jìn)L左轉(zhuǎn)P

}

5 仿真實(shí)驗(yàn)

如今常用的氣體擴(kuò)散模型有：高斯模型，F(xiàn)EM3模型，Britter and McQuaid 模型，高斯煙羽擴(kuò)散模型通常適用統(tǒng)計(jì)方法來考察煙羽擴(kuò)散的濃度分布，高斯煙羽擴(kuò)散模型適用于擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)且是連續(xù)源的擴(kuò)散，由于高斯煙羽擴(kuò)散模型適合作為主動(dòng)嗅覺技術(shù)［8，9］的模擬環(huán)境，所以選擇高斯煙羽擴(kuò)散模型［10］。公式如下：

c(x,y,z)=A2πfρyρzexp (－y22ρ2y+－z22ρ2z) (4)

試中：c——煙羽濃度，A——源強(qiáng)，ρy——煙羽沿水平方向擴(kuò)散參數(shù)，ρz——煙羽沿垂直方向擴(kuò)散參數(shù)，其中ρy，ρz由x確定。f——平均風(fēng)速。設(shè)濃度最大點(diǎn)為氣味源。高斯煙羽分布模型如下圖10所示。圖中設(shè)風(fēng)速為0.2m/s，源強(qiáng)為6.22， (0.0)表示氣味源，x軸與風(fēng)向平行。

圖10 高斯煙羽分布模型

6 總 結(jié)

機(jī)器人主動(dòng)嗅覺技術(shù)是一個(gè)新的研究方向，以其為背景研發(fā)的危險(xiǎn)氣源定位機(jī)器人將具有廣闊的科研空間。本文分析了當(dāng)前的嗅覺機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了一種仿生氣味源定位算法。

參考文獻(xiàn)

［1］ RUSSELL R A. Locating underground chemical sources by tracking chemical gradients in 3 dimensions［C］. Proceedings of the 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. USA: IEEE, 2004. 325-330.

［2］ ISHIDA H, NAKAMOTO T, MORIIZUMI T. Study of odor compass［C］. IEEE/SICE/RSJ International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems .Washington, DC, USA: IEEE, 1996. 222-226.

［3］ FARRELL J A, PANG S, LI W. Plume mapping via hidden Markov methods［J］. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, 2003, 33(6): 850-863

［4］ ISHIDA H, SUETSUGU K,NAKAMOTO T, et al. Study of autonomous mobile sensing system for localization of odor source using gas sensors and anemometric sensors［J］. Sensors and Actuators A, 1994, 45(2): 153-157.

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［7］ 李飛.小型移動(dòng)機(jī)器人嗅覺定位研究［D］.天津：天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,2006.1.

［8］ 孟慶浩, 李飛, 張明路. 湍流煙羽環(huán)境下多機(jī)器人主動(dòng)嗅覺實(shí)現(xiàn)方法研究［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)： 2008,34(10): 1281-1290.

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［10］路光達(dá)，一種機(jī)器人仿生氣味源定位策略［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2010,39(5):21-27.

圖3 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅠ

2002年，為了提高機(jī)器人氣味的搜索的性能，Ishida開發(fā)了第二代嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ。GaPTRⅡ型嗅覺機(jī)器人同樣采用類型的氣味傳感器和飛向傳感器，但把傳感器的擺放位置做了調(diào)整。如圖4［7］所示，在第二代嗅覺機(jī)器人上安裝了一個(gè)延伸臂，在延伸臂的兩端是兩個(gè)氣味傳感器Ra和Rl通過比較它們的濃度差從而確定嗅覺機(jī)器人的前進(jìn)方向。嗅覺機(jī)器人所在位置的氣體濃度是由Rc傳感器輸出，來判斷此時(shí)嗅覺機(jī)器人是否接觸煙羽。兩個(gè)氣流傳感器為嗅覺機(jī)器人提供風(fēng)向信息。

3.2 基于MTU移動(dòng)機(jī)器人的嗅覺機(jī)器人設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)嗅覺機(jī)器人主要由五個(gè)模塊組成，即DSP TMS320F2407核心控制模塊、傳感器控制和信號(hào)調(diào)理模塊、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊、AD和DA轉(zhuǎn)換模塊、系統(tǒng)電源等。結(jié)構(gòu)圖如下圖5，6所示。



圖4 嗅覺機(jī)器人GaPTRⅡ

圖5 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人硬件模塊

圖6 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人實(shí)物

4 移動(dòng)嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)

機(jī)器人仿生嗅覺技術(shù)即模仿生物嗅覺追蹤氣味的能力，嗅覺機(jī)器人通過傳感器自主發(fā)現(xiàn)，跟蹤，并確認(rèn)氣味源的能力。Hayes［5］對(duì)機(jī)器人嗅覺定位進(jìn)行了定義,即怎么讓移動(dòng)機(jī)器人在封閉環(huán)境下尋找到氣味源，并對(duì)其分解為三個(gè)任務(wù)，如圖7所示。

圖7 氣味源定位

4.2 嗅覺機(jī)器人氣味源定位策略

濃度梯度搜索策略是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一，移動(dòng)機(jī)器人僅僅依靠氣味濃度的變化就可以找到氣味源。濃度梯度搜索策略是受到生物趨化性行為而發(fā)明的，趨化性是指微生物在受到刺激時(shí)一種定向移動(dòng)的能力，例如細(xì)菌的趨光性等，是使其適應(yīng)環(huán)境變化的能力。機(jī)器人采用濃度梯度法時(shí)通常在機(jī)器人前后各安裝一個(gè)氣味傳感器，通過比較這兩個(gè)氣味傳感器得到的濃度差值確定機(jī)器人的前進(jìn)方向。

Z字形跟蹤法搜索策略［6］是國(guó)內(nèi)外研究較多的氣味源定位策略之一。它是研究飛行生物追蹤信息素而發(fā)明的。例如，飛蛾發(fā)現(xiàn)氣味時(shí)后，跟蹤方法為其飛行軌跡在煙羽內(nèi)部，當(dāng)遇到煙羽邊界是改變方向，到達(dá)煙羽另一邊界在改變方向，軌跡為Z字形，這樣就能找到氣味源。濃度梯度法［7］和Z字形搜索策略示意圖如圖8所示。



圖8 濃度梯度法和Z字形搜索策略示意圖［6］

4.3 基于昆蟲激化性行為的氣味源定位算法

受到生物趨激性啟示，路光達(dá)等設(shè)計(jì)了不依靠某一點(diǎn)氣味濃度值，不依靠風(fēng)向，僅僅依靠氣味濃度變化率就可找到氣味源的定位算法［10］。昆蟲激化性行為的氣味源定位策略：把移動(dòng)嗅覺機(jī)器人放到密閉有煙羽的空間中，讓其以任意步長(zhǎng)任意角度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒有檢測(cè)到煙羽則繼續(xù)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其檢測(cè)到煙羽后，這時(shí)嗅覺機(jī)器人根據(jù)最后兩步的氣味濃度變化率來判斷步長(zhǎng)及偏轉(zhuǎn)角度，當(dāng)濃度變化率保持最小值閥值時(shí)表示嗅覺機(jī)器人尋找到氣味源，該處即為氣味源。氣味源定位流程如圖9所示：

圖9 氣味源定位流程

設(shè)定嗅覺機(jī)器人每步移動(dòng)L，機(jī)器人每步的轉(zhuǎn)角為P,定義XL、XP為與氣味濃度變化率相關(guān)的變化因子，根據(jù)氣味濃度變化率決定下一步的步長(zhǎng)及轉(zhuǎn)角。其中LK=XL*LK－1,PK=XP*PK－1。某一點(diǎn)氣味濃度值設(shè)為D，氣味濃度變化率設(shè)為Y,其中YK=DK－DK－1/DK－1，DMAX為濃度的最大值，YMIN為濃度變化率的最小值，設(shè)a為DK相對(duì)DMAX的最小值，當(dāng)DK－DMAX=a時(shí)，此時(shí)的位置就是氣味源，移動(dòng)嗅覺機(jī)器人搜索模式偽代碼如下：

while(濃度變化率小于閥值)

{

if ((YK＞YK-1)&&(K-1處左轉(zhuǎn)))||

(( YK＜YK-1)&&(K-1處右轉(zhuǎn)))

前進(jìn)L右轉(zhuǎn)P

else

前進(jìn)L左轉(zhuǎn)P

}

5 仿真實(shí)驗(yàn)

如今常用的氣體擴(kuò)散模型有：高斯模型，F(xiàn)EM3模型，Britter and McQuaid 模型，高斯煙羽擴(kuò)散模型通常適用統(tǒng)計(jì)方法來考察煙羽擴(kuò)散的濃度分布，高斯煙羽擴(kuò)散模型適用于擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)且是連續(xù)源的擴(kuò)散，由于高斯煙羽擴(kuò)散模型適合作為主動(dòng)嗅覺技術(shù)［8，9］的模擬環(huán)境，所以選擇高斯煙羽擴(kuò)散模型［10］。公式如下：

c(x,y,z)=A2πfρyρzexp (－y22ρ2y+－z22ρ2z) (4)

試中：c——煙羽濃度，A——源強(qiáng)，ρy——煙羽沿水平方向擴(kuò)散參數(shù)，ρz——煙羽沿垂直方向擴(kuò)散參數(shù)，其中ρy，ρz由x確定。f——平均風(fēng)速。設(shè)濃度最大點(diǎn)為氣味源。高斯煙羽分布模型如下圖10所示。圖中設(shè)風(fēng)速為0.2m/s，源強(qiáng)為6.22， (0.0)表示氣味源，x軸與風(fēng)向平行。

圖10 高斯煙羽分布模型

6 總 結(jié)

機(jī)器人主動(dòng)嗅覺技術(shù)是一個(gè)新的研究方向，以其為背景研發(fā)的危險(xiǎn)氣源定位機(jī)器人將具有廣闊的科研空間。本文分析了當(dāng)前的嗅覺機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了一種仿生氣味源定位算法。

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