危險(xiǎn)氣體泄漏源搜尋多機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳寅生,趙文杰,宋 凱,王 祁(.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院,哈爾濱 5000;.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,哈爾濱 5000)

氣源搜尋結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)和傳感器技術(shù),是當(dāng)前仿生嗅覺(jué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)活躍的研究方向。嗅覺(jué)機(jī)器人在搜尋易燃易爆氣體、危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏、大氣污染源等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

為了對(duì)危險(xiǎn)氣體泄露源進(jìn)行準(zhǔn)確定位,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。Russell和Deveza利用樟腦鋪設(shè)了一條路線,設(shè)計(jì)了安裝了兩個(gè)氣體傳感器的嗅覺(jué)機(jī)器人沿著這條路線行走[4]。此外,Russell還提出了一種通過(guò)跟蹤氣味煙羽進(jìn)行氣源定位的氣源搜尋算法[5]。Kuwana和Shimoyama將兩個(gè)昆蟲(chóng)的觸角作為傳感器安裝在機(jī)器人上獲取空氣中的信息素,提出了一種仿生蠶蛾信息素?zé)熡鸶櫵惴?。Kazadi等采用相似的算法控制裝有聚合體傳感器的機(jī)器人跟蹤水蒸氣形成的煙羽[6]。Grasso等研制了仿生機(jī)器蝦用來(lái)研究龍蝦識(shí)別和跟蹤氣味的方式[7],該機(jī)器人能夠在水中移動(dòng),利用左右兩邊裝配的氣敏傳感器進(jìn)行導(dǎo)航。Morse等人模仿蚯蚓的化學(xué)向性,并利用視覺(jué)傳感器感測(cè)光強(qiáng)的梯度來(lái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)趨向性的算法[8]。Tom Ducket的團(tuán)隊(duì)提出了一種新的理念,利用電子鼻測(cè)量氣體煙羽中與氣源不同距離和不同角度的位置,利用這些數(shù)據(jù)對(duì)電子鼻進(jìn)行訓(xùn)練,使訓(xùn)練好的電子鼻可以預(yù)測(cè)氣源的距離、運(yùn)動(dòng)方向和氣源方向角等信息,從而迅速尋找到氣源[9]。Ishida H等人采用多個(gè)氣體傳感器構(gòu)成一個(gè)平面陣列,通過(guò)陣列感知的數(shù)據(jù)繪制煙羽或氣體濃度的分布圖,根據(jù)分布圖中不同位置的濃度差異,判斷氣源的方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣源定位[10]。浙江大學(xué)王平課題組通過(guò)實(shí)現(xiàn)大鼠嗅覺(jué)神經(jīng)元信號(hào)的分析解碼,實(shí)現(xiàn)氣味檢測(cè)與識(shí)別,取得了有效的成果[11]。通過(guò)以上的分析可知,當(dāng)前利用氣體傳感器檢測(cè)煙羽的濃度梯度逐步實(shí)現(xiàn)氣源搜尋是目前的經(jīng)濟(jì)、有效的實(shí)施方案[12]。但是,此類(lèi)方法仍然存在設(shè)計(jì)復(fù)雜且搜尋成功率較低等問(wèn)題。

鑒于此,本文設(shè)計(jì)一種安裝有多個(gè)氣體傳感器和風(fēng)速傳感器的嗅覺(jué)機(jī)器人來(lái)檢測(cè)濃度梯度和風(fēng)向,嗅覺(jué)機(jī)器人將融合氣體濃度和風(fēng)速信息決定移動(dòng)方向,制定搜尋策略,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)單一有害氣體泄漏源的定位。多個(gè)嗅覺(jué)機(jī)器人組成多機(jī)器人系統(tǒng),利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作,提高了氣源定位效率和準(zhǔn)確性。當(dāng)一個(gè)嗅覺(jué)機(jī)器人找到泄漏源時(shí)將發(fā)出警報(bào)聲,其他機(jī)器人利用裝配的麥克風(fēng)陣列結(jié)合聲源定位算法進(jìn)行聲源定位,實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同工作,對(duì)泄露源進(jìn)行間接定位。

為了驗(yàn)證提出的多機(jī)器人系統(tǒng)氣源定位的有效性,本文設(shè)計(jì)了基于單一易燃?xì)怏w泄漏源搜尋實(shí)驗(yàn),對(duì)提出的氣源定位算法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。每個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是以DSP TMS320F28335為控制核心的嗅覺(jué)機(jī)器人。嗅覺(jué)機(jī)器人上安裝有氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器及麥克風(fēng)陣列對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路由DSP進(jìn)行采集和處理,驅(qū)動(dòng)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)嗅覺(jué)機(jī)器人的導(dǎo)航。嗅覺(jué)機(jī)器人上裝配有無(wú)線傳輸模塊與上位機(jī)(PC機(jī))構(gòu)成的Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互,組成氣源搜尋多機(jī)器人系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

嗅覺(jué)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。由信號(hào)處理與控制單元(TMS320F28335)、無(wú)線收發(fā)模塊、磁阻傳感器、外部SD卡、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及移動(dòng)小車(chē)等組成機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能部分。在虛線框1內(nèi)的氣體傳感器和風(fēng)速傳感器實(shí)現(xiàn)嗅覺(jué)機(jī)器人對(duì)氣體濃度、風(fēng)速信息的采集;虛線框2內(nèi)的觸點(diǎn)傳感器用于在定位氣源后觸發(fā)報(bào)警器;在虛線框3內(nèi)的麥克風(fēng)陣列實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)聲音信號(hào)采集功能。

圖2 嗅覺(jué)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1.1 處理與控制單元

本設(shè)計(jì)考慮到對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和氣源、聲源搜尋算法的實(shí)現(xiàn),選用TI公司的TMS320F28335浮點(diǎn)DSP控制器。該DSP具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大,A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點(diǎn)。

1.1.2 氣體傳感器

本設(shè)計(jì)采用日本Figaro公司TGS2620型金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器,具有對(duì)酒精和有機(jī)溶劑蒸汽靈敏度較高的特點(diǎn),可以應(yīng)用于酒精、有機(jī)溶劑蒸汽等可燃性氣體檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w存在時(shí),由于氣體濃度越高,傳感器的電導(dǎo)率就越高。因此,可采用簡(jiǎn)單測(cè)量電路對(duì)氣體濃度的變化進(jìn)行測(cè)量。傳感器部分采用3個(gè)氣體傳感器(R1,R2,R3)安裝在彼此間隔120°的等長(zhǎng)臂上,組成氣體傳感器陣列實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的采集,獲取濃度差。氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。圖4所示為嗅覺(jué)機(jī)器人上安裝的氣體傳感器的分布圖。

圖3 氣體傳感器信號(hào)調(diào)理電路

1.1.3 風(fēng)速傳感器

風(fēng)速測(cè)量電路中采用鉑電阻PT60作為風(fēng)速測(cè)量傳感器,使用45 mA～50 mA的恒流源為其提供工作電流,PT1000用于橋路的溫度補(bǔ)償,減小測(cè)量誤差。

風(fēng)速傳感器基于熱量轉(zhuǎn)移原理,加熱鉑電阻到約150 ℃,當(dāng)有風(fēng)吹過(guò)鉑電阻會(huì)帶走熱量,鉑電阻隨溫度的變化,阻值也隨之變化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。嗅覺(jué)機(jī)器人裝配2個(gè)風(fēng)速傳感器對(duì)風(fēng)速進(jìn)行采集(如圖4中F1和F2所示),中間用擋板隔開(kāi),進(jìn)而通過(guò)風(fēng)速的比較以確定風(fēng)向。

圖4 氣體傳感器和風(fēng)速傳感器分布圖

1.1.4 磁阻傳感器

本設(shè)計(jì)采用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022,它是雙軸傳感器,可測(cè)量橫向、縱向兩個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度,通過(guò)比較兩路磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào),可用于機(jī)器人測(cè)量二維平面的方向,確定嗅覺(jué)機(jī)器人的航向角。該磁阻傳感器的信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 磁阻傳感器信號(hào)調(diào)理電路

1.1.5 音頻采集單元

本設(shè)計(jì)采用4個(gè)麥克風(fēng)組成陣列實(shí)現(xiàn)聲音采集與聲源定位,麥克風(fēng)陣列在機(jī)器人上的分布如圖6所示。音頻放大電路采用MAX9812專(zhuān)用音頻放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)麥克風(fēng)輸出信號(hào)的放大,如圖7所示。音頻編碼電路采用TLV320AIC23B音頻編碼器實(shí)現(xiàn),原理如圖8所示。

圖6 麥克風(fēng)陣列在機(jī)器人上的分布

圖7 音頻放大電路

1.1.6 無(wú)線傳輸模塊

每個(gè)嗅覺(jué)機(jī)器人上都裝配有無(wú)線通信模塊并與上位機(jī)Sink節(jié)點(diǎn)一同組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。用戶(hù)可通過(guò)上位機(jī)對(duì)嗅覺(jué)機(jī)器人進(jìn)行控制,而嗅覺(jué)機(jī)器人的信息也可以反饋到上位機(jī)。本設(shè)計(jì)采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430無(wú)線通信模塊,是一種以經(jīng)典8051微處理器為內(nèi)核的無(wú)線單片機(jī),如圖9所示。

圖8 音頻編碼電路

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖9 無(wú)線傳輸模塊

1.1.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)利用TI公司生產(chǎn)的L293D驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)兩個(gè)直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 嗅覺(jué)搜尋DSP軟件設(shè)計(jì)

圖11所示為機(jī)器人嗅覺(jué)搜尋DSP軟件流程圖。

1.2.2 聽(tīng)覺(jué)搜尋DSP軟件設(shè)計(jì)

圖12所示為機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)搜尋DSP軟件流程圖。

圖11 嗅覺(jué)搜尋DSP軟件流程圖

圖12 聽(tīng)覺(jué)搜尋DSP軟件流程圖

圖13 無(wú)線通信單元軟件流程圖

1.2.3 無(wú)線通信單元軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信單元實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與上位機(jī)(Sink節(jié)點(diǎn))的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳輸信息包括移動(dòng)機(jī)器人的航向角,氣體傳感器和風(fēng)速傳感器采集的數(shù)據(jù),聲源方向角,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度,搜尋結(jié)果等,同時(shí)上位機(jī)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。無(wú)線通信單元軟件流程如圖13所示。

2 氣源搜尋算法

2.1 半隨機(jī)移動(dòng)法

半隨機(jī)移動(dòng)法類(lèi)似于細(xì)菌的化學(xué)趨向性,僅采用單獨(dú)一個(gè)氣體傳感器進(jìn)行不同點(diǎn)的氣場(chǎng)濃度檢測(cè),通過(guò)邏輯判斷,使機(jī)器人總向著濃度增大的方向運(yùn)動(dòng)。雖然采取類(lèi)似細(xì)菌的化學(xué)趨向性的算法(機(jī)器人每走一步判斷當(dāng)前位置與前一步位置的濃度大小,以決定繼續(xù)前進(jìn)或者調(diào)轉(zhuǎn)方向),可以大大降低硬件電路的復(fù)雜度,但搜尋時(shí)間長(zhǎng),成功率較低。半隨機(jī)移動(dòng)法可以提高成功率,降低時(shí)耗,而占用的存儲(chǔ)空間也很小,只需存儲(chǔ)最近3個(gè)點(diǎn)的RS/R0。算法原理如下所述:

①無(wú)風(fēng)條件下

首先讓機(jī)器人隨機(jī)前行,測(cè)得一條直線上3個(gè)點(diǎn)處的RS/R0值(RS為在氣場(chǎng)中氣體傳感器的阻值,R0為在純凈空氣中的氣體傳感器阻值)。然后根據(jù)三點(diǎn)RS/R0的不同確定下一步小車(chē)的移動(dòng)方向。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式只有4種,前進(jìn),后轉(zhuǎn)180°,左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。設(shè)三點(diǎn)濃度分別為a,b,c。

算法表述如下:

若ca,則后退到b點(diǎn),左轉(zhuǎn),前行;

若c>b,則繼續(xù)前進(jìn);

若c

此算法能保證機(jī)器人一直向濃度增大的方向移動(dòng)。

②有風(fēng)條件下

在有風(fēng)的情況下,氣體煙羽的形狀將有很大變化,雖然采用半隨機(jī)移動(dòng)法仍然可行,但是效果與一些結(jié)合風(fēng)向信息的搜尋方法相比卻相差很遠(yuǎn)。例如在有風(fēng)的條件下,利用風(fēng)速或者風(fēng)向傳感器使機(jī)器人迎風(fēng)運(yùn)行,即逆風(fēng)方向運(yùn)動(dòng)。因而在此條件下,對(duì)機(jī)器人的控制只要保證它在氣體煙羽范圍之內(nèi)運(yùn)行就可以實(shí)現(xiàn)氣源搜尋。因此,在有風(fēng)條件下,結(jié)合氣體濃度信息和風(fēng)向信息進(jìn)行算法設(shè)計(jì)是一個(gè)較好的選擇。當(dāng)風(fēng)向一定時(shí),風(fēng)的方向大致就是氣體濃度梯度分布方向,故沿著逆風(fēng)方向能以最快的速度向氣源移動(dòng),其搜尋原理可以表述為:設(shè)置一個(gè)氣體傳感器靈敏度(RS/R0)域值,當(dāng)高于該值時(shí),則認(rèn)為失去了煙羽。在機(jī)器人探測(cè)到RS/R0小于閾值時(shí),機(jī)器人認(rèn)為自己處在煙羽中,它將根據(jù)風(fēng)速或者風(fēng)向傳感器沿著逆風(fēng)的方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)高于規(guī)定的域值時(shí),就認(rèn)為丟失煙羽,通過(guò)繞圈等運(yùn)動(dòng)方式迅速地重新找到煙羽。這種搜尋算法用偽代碼表示為:

While(SearchFlag)

{

If(Concentration>LimitVal)

FollowWind;

Else

SearchPlume;

}

2.2 多傳感器融合控制法

①無(wú)風(fēng)條件下

無(wú)風(fēng)條件下,采用3個(gè)氣體傳感器陣列,均勻分布,并與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向垂直。在搜尋過(guò)程中,只要保證作為參考的傳感器輸出信號(hào)在不斷增大,基本就可以保證機(jī)器人能夠沿著煙羽的中心運(yùn)動(dòng),并最終尋找到氣源。令3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)依次為a,b,c,其控制原理可以表示如下:

While(SearchFlag)

{

if(b>a&&b>c)

MoveForward;

Else if(c>b>a)

TurnLeft(60°);

Else if(a>b>c)

TurnRight(60°);

}

機(jī)器人按照這一搜尋方式的行走路線類(lèi)似于雄性飛蛾的“之”字形搜尋方法,具有較高的效率,但是3個(gè)傳感器之間的距離是一定的,不可變的,所以當(dāng)氣體濃度較高,在傳感器方向上沒(méi)有太大的濃度差時(shí),此搜尋方法效果將會(huì)很差,而采用“之”字形搜尋方法,可以通過(guò)增加搜尋半徑的方式,尋找濃度差,避免此種情況的發(fā)生。

②有風(fēng)條件下

在有風(fēng)的情況下,在上述方法的基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)風(fēng)速傳感器,機(jī)器人通過(guò)風(fēng)速,氣體濃度兩個(gè)信息來(lái)搜尋氣源。基本方法是先在一定區(qū)域內(nèi)按照預(yù)先設(shè)定的濃度閾值尋找到氣體煙羽,然后逆風(fēng)運(yùn)行,兩種搜尋狀態(tài)在機(jī)器人處于煙羽和離開(kāi)煙羽時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)器人處于煙羽中時(shí),為提高氣源搜尋的準(zhǔn)確率,其運(yùn)行方向由左右兩個(gè)氣體傳感器輸出差和兩個(gè)風(fēng)速傳感器的輸出差融合控制。

3 聲源搜尋算法

聲源定位分為麥克風(fēng)陣列的時(shí)延估計(jì)和基于時(shí)延的聲源定位兩個(gè)部分,采用廣義互相關(guān)法實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)間的時(shí)延估計(jì),并結(jié)合麥克風(fēng)之間的相對(duì)物理位置,利用球形定位法求得聲源位置,下面分別介紹廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)[13]和球形定位法[14]。

3.1 廣義互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法

假設(shè)兩麥克m1和m2,在沒(méi)有混響的情況下,兩麥克接受到同一聲源的信號(hào)x1(n)和x2(n)為:

x1(n)=a1s(n-τ1)+w1(n)

(1)

x2(n)=a2s(n-τ2)+w2(n)

(2)

式中:τ1、τ2為兩麥克風(fēng)相對(duì)聲源的時(shí)延,w1(n)、w2(n)為不相關(guān)的高斯白噪聲。

聲源到兩麥克的信號(hào)x1(n)和x2(n)的互相關(guān)函數(shù)R12(τ)可表示為

R12(τ)=E[x1(n),x2(n)]

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3),因?yàn)閣1(n)和w2(n)是不相關(guān)的高斯白噪聲,s(n)和w(n)也是不相關(guān)的隨機(jī)信號(hào),可得

R12(τ)=E[a1a2s(n-τ1)s(n-τ2-τ)]
=a1a2Rs[τ-(τ1-τ2)]

(4)

由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)得,當(dāng)τ=τ1-τ2取最大值。因此求得R12(τ)的最大值對(duì)應(yīng)的τ就是兩麥克間的時(shí)延τ12。

由互相關(guān)函數(shù)與互功率譜的關(guān)系可得:

(5)

式中:G12(ω)為麥克信號(hào)x1(n)和x2(n)間的互功率譜,因此可通過(guò)先求得互功率譜,然后經(jīng)過(guò)逆變換求得互相關(guān)函數(shù)。

3.2 改進(jìn)的廣義互相關(guān)法

噪聲和語(yǔ)音的短時(shí)處理導(dǎo)致R12(τ)的峰值不明顯,降低了時(shí)延τ12估計(jì)的精度。為了銳化R12(τ)的峰值,可通過(guò)在頻域內(nèi)對(duì)互功率譜G12(ω)加權(quán)來(lái)抑制噪聲和混響的影響,此時(shí)再反變換到時(shí)域求得時(shí)差τ12。

本系統(tǒng)每個(gè)機(jī)器人上采用了4個(gè)麥克風(fēng),對(duì)4個(gè)麥克任取一對(duì),可求的6對(duì)時(shí)延,即麥克i對(duì)麥克j的時(shí)延dij,并將麥克1作為是否有語(yǔ)音的檢測(cè)麥克。現(xiàn)以麥克風(fēng)1和2為例,采用圖14的流程估計(jì)麥克1、2時(shí)延。

圖14 改進(jìn)的廣義互相關(guān)法流程圖

3.3 球形插值定位法

利用廣義互相關(guān)法實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)陣列時(shí)延估計(jì)后,球形插值法根據(jù)多個(gè)麥克對(duì)的時(shí)延及物理位置求得一組方程,并在滿(mǎn)足最小均方誤差準(zhǔn)則下解這個(gè)方程組,就可得到聲源位置的估計(jì)值。

任取一對(duì)麥克mi、mj,其與聲源S的幾何關(guān)系如圖15所示。其中,ri是mj到mi的矢量,rs是mj聲源S的矢量,dij是聲源S到麥克mi和mj間的距離差(由時(shí)延估計(jì)計(jì)算),Ri=|ri|,Rs=|rs|。

圖15 麥克mi、mj和聲源S的幾何關(guān)系圖

由矢量幾何和三角形三邊關(guān)系可得

(6)

將式(6)展開(kāi)并整理得

(7)

由于dij是通過(guò)估計(jì)時(shí)延得到的,與實(shí)際值相比有一個(gè)偏差,因此式(7)不為零,其誤差為

(8)

假設(shè)有M個(gè)麥克,記為(0,1,…,M-l),則可以估計(jì)出第(l,…,M-1)個(gè)麥克到第0個(gè)麥克的距離差,從而得到M-1個(gè)方程,當(dāng)均方誤差為最小時(shí),聲源的估計(jì)值rs即為聲源的最佳估計(jì)值。

圖16 多機(jī)器氣源搜尋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

單一氣體泄漏源搜尋多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作過(guò)程如下:如圖16所示,在場(chǎng)地中擺放氣源,在氣源后方放置一臺(tái)風(fēng)扇,使揮發(fā)的氣體在風(fēng)扇氣流的作用下快速地形成一個(gè)比較穩(wěn)定的氣場(chǎng)(煙羽)。首先,嗅覺(jué)機(jī)器人根據(jù)3個(gè)方向上氣體傳感器采集氣體濃度的不同,向濃度較大的方向?qū)ふ覛鈭?chǎng)(煙羽)的方位。當(dāng)氣體傳感器檢測(cè)的氣體濃度達(dá)到所設(shè)濃度閾值時(shí),可判定機(jī)器人處于氣場(chǎng)中。然后,通過(guò)嗅覺(jué)機(jī)器人將氣體傳感器和風(fēng)速傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù),按照既定策略進(jìn)行融合處理,利用融合的結(jié)果對(duì)氣源方位做出初步判定并依此判定結(jié)果運(yùn)動(dòng),直至找到氣源為止。當(dāng)嗅覺(jué)機(jī)器人尋找到氣源以后,安裝其前端的報(bào)警裝置會(huì)觸發(fā)報(bào)警,此時(shí)在距離報(bào)警聲源一定距離處的另外兩個(gè)機(jī)器人會(huì)利用聲源定位算法從不同方向?qū)?bào)警聲源位置進(jìn)行搜尋,以達(dá)到對(duì)嗅覺(jué)機(jī)器人“增援”的目的。在整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程中,3個(gè)機(jī)器人可以同時(shí)對(duì)各自所需的信號(hào)進(jìn)行采集、處理、識(shí)別,并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn),PC機(jī)將采集處理的數(shù)據(jù)和搜尋結(jié)果顯示在控制面板上。圖17為氣體泄露源搜尋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。圖18所示為氣源搜尋多機(jī)器人系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面。如19所示為嗅覺(jué)機(jī)器人典型氣源搜尋路徑。

圖19 嗅覺(jué)機(jī)器人典型氣源搜尋路徑

圖17 氣體泄漏源搜尋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖18 氣源搜尋多機(jī)器人系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面

①氣場(chǎng)要求 氣場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間需要約5 min,風(fēng)速≥1.5 m/s。當(dāng)氣場(chǎng)使用15～20 min后,由于氣場(chǎng)中被測(cè)氣體濃度趨于一致,會(huì)使定位誤差較大。

②氣源搜尋 嗅覺(jué)機(jī)器人與氣源的距離最大為2 m,嗅覺(jué)機(jī)器人完成一次搜尋

移動(dòng)距離約為20 cm,每次變向旋轉(zhuǎn)約45°,完成一次氣源搜尋時(shí)間約2 min～3 min,當(dāng)觸點(diǎn)傳感器接觸到氣源邊緣時(shí),啟動(dòng)報(bào)警功能,此時(shí)認(rèn)為嗅覺(jué)機(jī)器人找到氣源,氣源搜尋次數(shù)小于10就可找到氣源。

③聲源定位 機(jī)器人小車(chē)離聲源距離最大為2 m,聲源定位的角度范圍為-180°～+180°全向定位,聲源定位精度為±10°,當(dāng)有較強(qiáng)的語(yǔ)音干擾源時(shí),定位誤差較大。

④聲源搜尋 機(jī)器人完成一次搜尋移動(dòng)距離約為30 cm,聲源搜尋次數(shù)小于10就可找到聲源。

⑤實(shí)時(shí)性要求 嗅覺(jué)機(jī)器人移動(dòng)到新位置會(huì)停止5 s,氣體和風(fēng)速傳感器采集數(shù)據(jù)的時(shí)間為10 s,通過(guò)CCS的Profile工具,完成算法的時(shí)間約為2 s,每次移動(dòng)時(shí)間為3 s,故嗅覺(jué)機(jī)器人完成一次搜尋的時(shí)間約為20 s。機(jī)器人對(duì)聲源的語(yǔ)音信號(hào)采集時(shí)間為2 s,通過(guò)CCS的Profile工具,聽(tīng)覺(jué)機(jī)器人完成算法的時(shí)間約為3 s,機(jī)器人每次移動(dòng)時(shí)間為3 s,故聽(tīng)覺(jué)機(jī)器人完成一次搜尋的時(shí)間約為8 s。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì),在開(kāi)始位置距離氣源2 m之內(nèi)的距離,泄露源定位的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種易燃?xì)怏w泄漏源搜尋多機(jī)器人系統(tǒng),研究了基于氣體傳感器和風(fēng)速傳感器相融合的氣源搜尋算法和基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法,利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的協(xié)同工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效地在工作距離為2 m之內(nèi)的空間有效地實(shí)現(xiàn)單一泄露源的定位,平均搜尋時(shí)間20 s以?xún)?nèi),準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。