机器人主动嗅觉(Four-Slides-per-Page)

机器人主动嗅觉机器人主动嗅觉报告人：李飞报告人：李飞主要内容主要内容ƒƒ简介简介ƒƒ嗅觉机器人嗅觉机器人ƒƒ嗅觉传感器嗅觉传感器ƒƒ嗅觉定位算法嗅觉定位算法ƒƒ课题进展课题进展简介简介ƒƒ课题来源课题来源⑴⑴19841984年的印度博帕尔市农药厂异氰酸甲酯泄露事件，造成年的印度博帕尔市农药厂异氰酸甲酯泄露事件，造成28002800人急人急性死亡，性死亡，55万余人终生失明。万余人终生失明。⑵⑵19951995年的东京地铁沙林神经毒气事件，共造成年的东京地铁沙林神经毒气事件，共造成55005500人中毒，其中人中毒，其中1212人死亡。人死亡。⑶我国煤矿每年都有瓦斯泄露事故发生，仅⑶我国煤矿每年都有瓦斯泄露事故发生，仅20052005年一年发生伤亡事故年一年发生伤亡事故33063306起，死亡起，死亡59385938人，对人民群众生命财产造成了极大的危害。人，对人民群众生命财产造成了极大的危害。ƒƒ目前解决方案：目前解决方案：一是采用传感器网络的方法，在已知环境中多个传感器形成空间分布，一是采用传感器网络的方法，在已知环境中多个传感器形成空间分布，将检测的数据发送到主机；将检测的数据发送到主机；二是穿有防化服的人或者利用经过训练的嗅探犬、猪和金丝雀等动物完二是穿有防化服的人或者利用经过训练的嗅探犬、猪和金丝雀等动物完成任务成任务。。ƒƒ缺陷：缺陷：方法一，需使用多个传感器，一方面造价昂贵，另一方面使用起来也不方法一，需使用多个传感器，一方面造价昂贵，另一方面使用起来也不灵活。灵活。方法二，方法二，人去完成此类任务存在着极大的危险；而动物需要较长时间的人去完成此类任务存在着极大的危险；而动物需要较长时间的训练，且动物的注意力时间也有限，更容易疲劳。此外，有些环境（如训练，且动物的注意力时间也有限，更容易疲劳。此外，有些环境（如具有高浓度有毒气体、核辐射场所等）动物也不适合进入。具有高浓度有毒气体、核辐射场所等）动物也不适合进入。ƒƒ移动机器人主要优点移动机器人主要优点ⅠⅠ由于机器人的运动性，相当于组成一个移动传感器网络，相由于机器人的运动性，相当于组成一个移动传感器网络，相比固定传感器网络经济且灵活；比固定传感器网络经济且灵活；ⅡⅡ机器人可以快速开发、维护费用低、且可长时间工作，也不机器人可以快速开发、维护费用低、且可长时间工作，也不存在危险、注意力时间有限、易疲劳等问题。存在危险、注意力时间有限、易疲劳等问题。ƒƒ主要应用：主要应用：––环境监测环境监测––违禁物品检查违禁物品检查––大型工厂仓库保安大型工厂仓库保安––有害气体泄露检测有害气体泄露检测––火源探测火源探测––灾后倒塌的建筑物搜救工作灾后倒塌的建筑物搜救工作––反恐排除爆炸物反恐排除爆炸物––对昆虫等动物进行仿生学的研究对昆虫等动物进行仿生学的研究ƒƒ主要研究方向主要研究方向––嗅觉机器人嗅觉机器人––嗅觉传感器嗅觉传感器––嗅觉定位算法嗅觉定位算法嗅觉机器人嗅觉机器人(1)(1)东京工业大学东京工业大学IshidaIshidaGaPTRGaPTR--ⅠⅠ型型GaPTRGaPTR--ⅡⅡ型型GaPTRGaPTR--ⅢⅢ型型GaPTRGaPTR--IVIV型型(2)(2)加州理工学院的加州理工学院的HayesHayesMoorebot:Moorebot:twoDCmotor-drivenwheels,acastorwheel,a2MbitwirelessLANtransceiver,and12-bitA/DandD/Aconverters,PC104basedIntel386processorrunningLinux.(3)(3)德国蒂宾根大学德国蒂宾根大学LilienthalLilienthal和瑞典厄勒布鲁大学的和瑞典厄勒布鲁大学的DuckettDuckettKoalamobilerobotequippedwiththeMarkMarkⅢⅢmobilenose:mobilenose:(4)(4)澳大利亚莫纳西大学的澳大利亚莫纳西大学的RussellRussellRobotantRATrobotRobotantRATrobotMOLEMOLEⅠⅠ3D3D烟羽跟踪机器人烟羽跟踪机器人(6)(6)美国加州大学美国加州大学J.A.FarrellJ.A.Farrell水下嗅觉机器人水下嗅觉机器人(7)(7)瑞士苏黎世理工学院的瑞士苏黎世理工学院的PawelPyk空中嗅觉机器人嗅觉传感器嗅觉传感器ƒƒ传统传感器传统传感器金属氧化物半导体传感器金属氧化物半导体传感器（（Metaloxidesemiconductors）聚合体传感器（Conductivepolymers）石英晶体微量天平（Quartzcrystalmicrobalances）ƒ新颖传感器活的传感器光离子化检测器（Photo-ionizationdetectors(PIDs)）ƒƒ金属氧化物半导体传感器金属氧化物半导体传感器（（Metaloxidesemiconductors）量程：50~5000ppmƒ活的传感器蚕蛾触角：灵敏度可达10-4ppm,是人造气体传感器的10，000倍。光离子化检测器（Photo-ionizationdetectors(PIDs)）测量VOC：挥发性有机化合物LampEnergy:10.6eV嗅觉定位算法嗅觉定位算法ƒƒ烟羽烟羽(Plume)(Plume)是指从气味源释放的气味分子被风吹散，轨是指从气味源释放的气味分子被风吹散，轨迹像羽毛在空气里飘扬迹像羽毛在空气里飘扬。。ƒƒƒƒ室内环境动态烟羽仿真室内环境动态烟羽仿真室内环境风速分布室内环境浓度分布嗅觉定位算法分为三个子任务：嗅觉定位算法分为三个子任务：ƒƒ烟羽发现烟羽发现（（PlumeFindingPlumeFinding））ƒƒ烟羽跟踪烟羽跟踪（（PlumeTrackingPlumeTracking））ƒƒ气味源确认气味源确认（（OdorSourceDeclarationOdorSourceDeclaration））ƒƒ烟羽发现烟羽发现（（PlumeFindingPlumeFinding））⑴⑴ZZ字法字法⑵⑵螺旋法螺旋法ƒƒ烟羽跟踪烟羽跟踪（（PlumeTrackingPlumeTracking））⑴⑴化学趋向性化学趋向性((ChemotaxisChemotaxis))⑵⑵风趋向性风趋向性((AnemotaxisAnemotaxis))⑶通量趋向性通量趋向性((FluxotaxisFluxotaxis))(4)信息熵趋向性信息熵趋向性((InfotaxisInfotaxis))ƒƒ化学趋向性化学趋向性((ChemotaxisChemotaxis))指模仿生物依靠所获信息素浓度的梯度来到达气味源的一指模仿生物依靠所获信息素浓度的梯度来到达气味源的一种方法。种方法。⑴⑴大肠杆菌（大肠杆菌（bacteriumbacteriumE.coliE.coli））⑵⑵蚕蛾（蚕蛾（silkwormmothsilkwormmothBombyxBombyxmorimori））⑶⑶蜣螂（蜣螂（dungbeetledungbeetleGeotrupesGeotrupesstercorariusstercorarius））⑷⑷基于梯度的算法基于梯度的算法ƒƒ风趋向性风趋向性((AnemotaxisAnemotaxis))是指模仿生物在感知气味时逆流而上，即通过逆风（空气中）或逆流是指模仿生物在感知气味时逆流而上，即通过逆风（空气中）或逆流（水中）的方向到达气味源的一种方法，蓝蟹等就使用此种机制。（水中）的方向到达气味源的一种方法，蓝蟹等就使用此种机制。水中螃蟹搜索气味源实验水中螃蟹搜索气味源实验MarcWeissburg.EcologyandEvolutionaryBiology,StateUniversityofNewYork⑶⑶通量趋向性通量趋向性((FluxotaxisFluxotaxis))ƒƒ通量趋向性通过群机器人编队形式通量趋向性通过群机器人编队形式,,采用计算流体力学采用计算流体力学（（CFDCFD））的方法计算出流体的局部散度，进而跟随梯度来跟的方法计算出流体的局部散度，进而跟随梯度来跟踪并定位气味源。踪并定位气味源。)(Vtρρ⋅∇=∂∂−0)(=⋅∇Vρ0)(⋅∇Vρ0)(⋅∇Vρƒƒ(4)(4)信息趋向性信息趋向性((InfotaxisInfotaxis))搜索过程可以被认为获取气味源位置的信息，对于搜索过程可以被认为获取气味源位置的信息，对于infotaxisinfotaxis来说，来说，信息起到了信息起到了chemotaxischemotaxis中浓度的作用。信息的获取率通过熵的减少率来量中浓度的作用。信息的获取率通过熵的减少率来量化。每一步，搜索者都选择了局部信息获取期望率最大化的方向。化。每一步，搜索者都选择了局部信息获取期望率最大化的方向。ƒƒchemotaxischemotaxisƒƒanemotaxisanemotaxisƒƒFluxotaxisFluxotaxisƒƒ气味源确认气味源确认（（OdorSourceDeclarationOdorSourceDeclaration））（（11））流体动力学流体动力学方法方法（（22））)(Vtρρ⋅∇=∂∂−0)(=⋅∇Vρ0)(⋅∇Vρ0)(⋅∇VρCloverleafCloverleaf算法算法课题进展课题进展嗅觉机器人系统CPU控制部分机器人车体机械部分传感器部分电机控制部分无线通信部分电源部分(1)CPU(1)CPU控制系统控制系统ƒƒLpc2138Lpc2138PHILIPSPHILIPS公司公司LQFP64LQFP64封装封装16/3216/32位位ARM7TDMIARM7TDMI--SS微控制器微控制器32kB32kB片内静态片内静态RAMRAM512kB512kB嵌入的高速嵌入的高速FlashFlash存储器存储器22个个88路路1010位位A/DA/D转换器共包含转换器共包含1616个模拟输入个模拟输入11个个1010位位D/AD/A转换器转换器22个个3232位定时器位定时器//计数器（带计数器（带44路捕获和路捕获和44路比较通道）、路比较通道）、PWMPWM单元（单元（66路输出）和看门狗路输出）和看门狗多个串行接口，包括多个串行接口，包括22个个16C55016C550工业标准工业标准UARTUART、、22个高速个高速I2CI2C接口（接口（400kbit/s400kbit/s）、）、SPISPI和和SSPSSP实时时钟具有独立的电源和时钟源实时时钟具有独立的电源和时钟源向量中断控制器向量中断控制器,,可配置优先级和向量地址可配置优先级和向量地址4747个个5V5V的通用的通用I/OI/O口口99个边沿或电平触发的外部中断引脚个边沿或电平触发的外部中断引脚通过片内通过片内PLLPLL可实现最大为可实现最大为60MHz60MHz的的CPUCPU操作频率操作频率可通过个别使能可通过个别使能//禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗单电源单电源3.3V3.3V供电，含有上电复位（供电，含有上电复位（PORPOR）和掉电检测（）和掉电检测（BODBOD）电路）电路具有具有JTAGJTAG仿真调试、仿真调试、ISPISP编程等功能编程等功能（２）传感器部分（２）传感器部分zz嗅觉传感器嗅觉传感器使用使用TGS822TGS822作为嗅觉传感器，属于金属氧化物半导体（作为嗅觉传感器，属于金属氧化物半导体（MOSMOS）电导型嗅觉）电导型嗅觉传感器，利用传感器，利用SnO2SnO2作为反应物．作为反应物．zz要点要点温度通过改变反应速率对温度通过改变反应速率对传感器的灵敏性产生影响。传感器的灵敏性产生影响。较大湿度会使传感器因吸较大湿度会使传感器因吸收水分而使自身阻值下降．收水分而使自身阻值下降．恢复时间慢恢复时间慢..嗅觉传感器信号处理电路嗅觉传感器信号处理电路(3)(3)电机控制部分电机控制部分L